Contrôle et correction des déformations dues au soudage des composants en tôle mince : de la conception à la mesure après soudage, en passant par les montages

Pourquoi les composants en tôle mince se déforment-ils facilement lors du soudage : apport thermique, retrait et rigidité

Un cordon de soudure peut être visuellement conforme alors que la pièce reste impossible à monter : cadre de porte déformé, diagonales d’un carter non concordantes, tôle de fond ondulée ou bride voilée après soudage. Dans le cas des reprises sur des composants en tôle mince soudés, la cause première est souvent la perte de contrôle de la forme et des dimensions, et non nécessairement un défaut interne du cordon. La déformation due au soudage ne doit pas être corrigée par martelage après coup ; le montage, la disposition des cordons et l’ordre de soudage déterminent déjà une grande partie des risques avant l’amorçage de l’arc.

Lors du soudage, le cordon et les zones adjacentes sont soumis à un chauffage et un refroidissement locaux rapides, ce qui crée un champ de température non uniforme. Le métal se dilate sous l’effet de la chaleur, puis se rétracte en refroidissant ; lorsque cette contraction est entravée par les tôles, les raidisseurs ou le montage, elle se transforme en contraintes résiduelles et en déformations résiduelles. La tôle mince possède une rigidité propre relativement faible et une capacité limitée à résister à la flexion, à la déformation angulaire et à l’instabilité. Ainsi, lorsque la même quantité de chaleur est concentrée dans une zone plus réduite, les variations de forme sont généralement plus importantes.

Le résultat ne dépend pas uniquement de l’intensité de soudage. La tension d’arc, la vitesse de soudage, l’apport thermique par unité de longueur, le nombre et la section des cordons, ainsi que le mode de soudage continu ou intermittent modifient tous la valeur du retrait et la répartition de la chaleur. Les propriétés thermophysiques du matériau, l’épaisseur de la tôle, la rigidité du composant, le jeu d’assemblage, la disposition des points de fixation et la procédure de soudage agissent également de concert. Un plus grand nombre de cordons ou des dimensions plus importantes ne rendent pas nécessairement la structure plus stable ; une concentration excessive de chaleur peut au contraire accroître le risque de flexion et de torsion.

Lors de la revue du procédé, il convient donc d’examiner simultanément le plan de soudage, la rigidité de la structure, les références d’assemblage et les exigences de mesure après soudage : quelles dimensions permettent de prévoir une surcote de retrait, quelles zones nécessitent une contre-déformation ou un soutien, et quelles surfaces doivent impérativement rester planes. Ce n’est qu’en inscrivant ces exigences dans la documentation du procédé que les déformations dues au soudage des composants en tôle mince peuvent passer d’un problème de reprise après soudage à un problème de maîtrise traité dès les phases de conception, d’assemblage et de soudage.

Identifier d’abord le type de déformation des tôles minces soudées : retrait, flexion, déformation angulaire, ondulation et torsion

Lorsqu’un composant en tôle mince soudé est hors tolérance, la première étape n’est pas de le marteler ou de le chauffer immédiatement, mais de confirmer à quelle catégorie appartient la déformation. Le retrait longitudinal et le retrait transversal se manifestent généralement par une longueur, une largeur ou un entraxe de trous insuffisant ; ils sont souvent liés à la valeur du retrait des cordons, au nombre de cordons et à la surcote d’assemblage. La flexion globale se manifeste quant à elle par une cambrure ou une flèche vers le bas du composant dans le sens de sa longueur ; elle est fréquente dans les structures présentant un décalage des cordons ou une répartition asymétrique de la chaleur.

Évaluation sur site des déformations dues au soudage des composants en tôle mince

Comment réduire les déformations de soudage des éléments de structure en tôle mince dès la conception

Les risques de déformation lors du soudage des éléments de structure en tôle mince sont souvent déjà présents au stade du débit et de l’établissement des plans. Lorsque les cordons de soudure sont concentrés du même côté, que plusieurs cordons se croisent et se superposent, ou que les cordons sont éloignés de l’axe neutre de la section de l’élément, le retrait après soudage se transforme plus facilement en flexion, en torsion et en déformation angulaire. La revue de conception ne doit pas se limiter à vérifier que les cordons de soudure satisfont aux exigences de résistance ; elle doit également déterminer comment la chaleur se répartit, si les moments de retrait sont équilibrés et si l’assemblage et le contrôle restent possibles après soudage.

Réduire les déformations de soudage des éléments de structure en tôle mince par le nombre et la disposition des cordons

Commencer par supprimer les cordons de soudure dépourvus de fonction clairement définie et éviter de remplacer une conception structurelle par des cordons surdimensionnés. Les dimensions des cordons doivent répondre simultanément aux exigences de résistance, d’étanchéité, d’aspect et de fabrication ; il ne faut pas simplement considérer que « plus on soude, plus c’est solide ». Lorsque la fonction est assurée, réduire la longueur des soudures continues, éviter les croisements inutiles et disposer autant que possible les cordons opposés de manière symétrique contribue à répartir les effets du retrait. Pour les tôles susceptibles de fléchir, il est possible d’évaluer le rapprochement des cordons de l’axe neutre de la section ou de réduire le moment excentré au moyen d’une liaison symétrique sur les deux faces. La forme précise des cordons doit néanmoins être confirmée en fonction des efforts appliqués au joint, de l’épaisseur de la tôle, de l’accessibilité de la torche et des exigences de qualité de la soudure.

Maîtriser les déformations de soudage grâce à un découpage rationnel des pièces et à la contrôlabilité

Lorsqu’un ensemble comprend une grande semelle, un cadre latéral long et plusieurs raidisseurs, il ne faut pas partir du principe qu’il doit être assemblé et soudé en une seule opération. En fonction des surfaces de référence et des interfaces fonctionnelles, la structure peut être divisée en pièces ou sous-ensembles plus faciles à positionner, afin de mieux maîtriser l’accumulation de chaleur et l’amplitude du retrait libre à chaque opération de soudage. Lors du découpage, il faut vérifier simultanément les trous de positionnement, les brides, les surfaces de montage et l’espace de travail nécessaire aux cordons ultérieurs, afin d’éviter de créer de nouveaux points morts d’assemblage en cherchant à réduire les déformations.

Bridage, assemblage et ordre de soudage : maîtriser les déformations de soudage des tôles minces avant le soudage

Lorsqu’après soudage les brides se gauchissent, que les diagonales du cadre ne sont plus égales ou que la semelle présente un aspect ondulé, il est généralement insuffisant de compter uniquement sur un aplatissement par martelage après soudage. Le bridage, les points de soudage et l’ordre des soudures principales déterminent déjà, avant l’amorçage de l’arc, le chemin de libération du retrait thermique. Le dispositif de bridage doit être considéré comme un outil de maîtrise du procédé, et non comme un simple moyen de maintenir les pièces serrées.

Références de positionnement, points d’appui et positions de serrage

Lors de l’assemblage, commencer par définir les surfaces de référence, les positions des trous critiques et celles des brides, puis disposer les points d’appui et de serrage. Les appuis doivent couvrir les zones susceptibles de perdre leur stabilité, tandis que l’effort de serrage doit servir à assurer l’affleurement et le positionnement, sans rechercher simplement à serrer « le plus fort possible ». Un bridage excessif peut limiter le retrait thermique : la déformation apparente est alors temporairement contenue, mais les risques de contraintes résiduelles, de retour élastique après desserrage ou de flambage local augmentent. Les documents de procédé doivent également préciser le nombre, la position et l’ordre des points de soudage, afin d’éviter que ces points ne créent eux-mêmes une nouvelle concentration de retrait.

L’ordre de soudage doit répartir la chaleur et le retrait

L’ordre principal de soudage doit être défini en fonction de la configuration du joint, de l’accessibilité de la torche, de la continuité de la soudure et de la rigidité de la structure. Le soudage symétrique, le soudage par segments, le soudage intermittent ou le soudage en retrait peuvent être utilisés pour répartir la chaleur locale et équilibrer les retraits de directions opposées, mais ils ne conviennent pas directement à toutes les structures. Pour les soudures courtes, il est possible de décaler d’abord les sources de chaleur ; dans les zones plus rigides, le soudage peut être alterné avec les bords libres. Il faut également vérifier que le soudage par segments n’entraîne pas de manque de pénétration, de défauts de joint ou d’irrégularité de l’aspect de la soudure. L’ordre de desserrage des brides doit également être indiqué sur la fiche de procédé : il faut généralement confirmer d’abord les dimensions critiques et l’état des soudures, puis libérer les contraintes conformément aux prescriptions et effectuer une nouvelle mesure.

Comment mesurer la déformation après soudage des tôles minces : de l’établissement des références à la décision de retouche

Une structure en tôle mince qui paraît « globalement plane » après soudage n’est pas nécessairement conforme aux dimensions. Le cadre d’une porte peut présenter des diagonales inégales, une bride peut être décalée dans son ensemble et la position des trous peut empêcher l’assemblage avec les pièces adjacentes en raison du retrait de soudage. La mesure des déformations de soudage doit donc commencer par l’enregistrement des références avant soudage, et non attendre l’échec de l’assemblage pour effectuer le contrôle.

Que mesurer en premier pour les déformations de soudage des tôles minces : références et dimensions critiques

Avant le soudage, il faut confirmer le plan de référence, les bords de référence et les trous de positionnement du dessin, puis relever le matériau, l’épaisseur de la tôle, les principales dimensions extérieures, la position des trous, la position des brides, les angles et les diagonales. Après soudage, dans l’état de refroidissement prescrit par le dessin ou le document de procédé, il faut effectuer une nouvelle mesure de la planéité, du cintrage global, des angles, des diagonales, de la position des trous et du décalage des brides en utilisant les mêmes références. Si la pièce est susceptible de subir un retour élastique dans le montage, il faut enregistrer séparément les résultats avec bridage et après desserrage des brides.

Quels instruments utiliser pour mesurer les déformations de soudage des tôles minces : adapter les outils aux tolérances

Pour les pièces ordinaires en tôle, le choix peut se porter, selon les exigences dimensionnelles et les tolérances, sur des jauges d’épaisseur, une règle en acier, un rapporteur, un pied à coulisse, des calibres ou un comparateur à cadran. Pour les structures plus grandes ou de forme complexe, il est nécessaire, le cas échéant, d’envisager une machine à mesurer tridimensionnelle ou un scanner 3D. Le choix des instruments ne peut pas être dissocié des exigences de réception : la « planéité » ou la « perpendicularité » non définie sur le dessin ne peut pas être interprétée de manière subjective par le personnel de contrôle. Le scan 3D convient pour obtenir l’écart de forme global, mais ses résultats doivent néanmoins être reportés sur les références du dessin et comparés aux exigences géométriques validées par le client.

• Avant soudage : relever les références, les dimensions critiques et les interfaces d’assemblage, et conserver les valeurs de mesure initiales.
• Après soudage : confirmer l’état de refroidissement et effectuer une nouvelle mesure de la planéité, des angles, des diagonales, de la position des trous et de la position des brides à partir des mêmes références.
• Décision : comparer les valeurs mesurées au dessin, aux spécifications du client ou aux tolérances géométriques convenues entre les deux parties, et consigner séparément la qualité des soudures et la conformité dimensionnelle.
• Hors tolérance : indiquer d’abord le type et l’emplacement de la déformation, puis décider d’une retouche, d’un redressage ou de la mise au rebut ; après redressage, il faut impérativement remesurer les dimensions critiques et vérifier la fonctionnalité d’assemblage.

Le relevé de mesure doit au minimum comporter le numéro de la pièce, la date de mesure, l’opérateur, l’instrument de mesure, la description des références, les valeurs mesurées, le résultat de la décision et l’état de la retouche. Cela permet de distinguer un problème occasionnel de bridage d’un problème de procédé affectant un lot, et fournit également une base pour ajuster ultérieurement l’ordre de soudage, le support du montage et les surépaisseurs prévues pour le retrait.

Comment redresser une pièce hors tolérance après soudage : redressage mécanique, redressage à la flamme et boucle de contrôle

Lorsque l’aspect de la soudure est conforme mais que les dimensions sont hors tolérance, il ne faut pas commencer par utiliser un marteau ou la flamme pour « remettre à plat » la pièce. Il faut d’abord confirmer le type de déformation, le matériau et l’épaisseur de la tôle, l’état de surface, ainsi que l’incidence du dépassement de tolérance sur la position des trous, les brides et la fonctionnalité d’assemblage. Un manque de longueur dû à un retrait longitudinal ou transversal global ne peut généralement pas être compensé par un redressage local après soudage ; si aucune surépaisseur n’a été prévue lors du débit et de l’assemblage, la retouche peut ne pouvoir être réalisée que par une modification ou une nouvelle fabrication.

Limites d’application du redressage mécanique et du redressage à la flamme

Les déformations angulaires locales, les courbures et certaines déformations ondulatoires peuvent faire l’objet d’une évaluation en vue d’un redressage mécanique. Une presse, des montages dédiés ou des frappes contrôlées peuvent modifier la forme locale, mais les tôles minces peuvent facilement présenter des marques de pression, un flambage local ou de nouvelles irrégularités ; le travail à froid répété peut également provoquer un écrouissage et réduire la ductilité du matériau. Le redressage à la flamme repose sur un chauffage et un refroidissement locaux contrôlés qui provoquent un retrait ; les zones de chauffe et la fenêtre de procédé doivent impérativement être définies par un personnel connaissant la réponse du matériau. Pour les matériaux peu ductiles, sensibles à la chaleur ou dotés d’un revêtement ou d’un placage, il convient d’évaluer au préalable les variations de propriétés, les dommages de surface et les risques pour la sécurité ; il ne faut pas appliquer une température standard ou des règles générales d’utilisation.

Les composants de structure en tôle mince doivent être remesurés après redressage

Après chaque opération de redressage, il convient de remesurer, par rapport aux références établies avant soudage, la planéité, les angles, les diagonales, la courbure globale, la position des trous et celle des brides, puis d’effectuer un contrôle réel de l’assemblage ou du fonctionnement. Les résultats de mesure doivent distinguer l’évaluation de la qualité des soudures de celle des dimensions géométriques : une soudure conforme ne signifie pas que la forme de la pièce est conforme. En cas de marques de pression sur la surface, de dommages au revêtement ou au placage, de déformation des bords de trous, ou de retour élastique persistant après redressage, il faut interrompre l’application d’efforts supplémentaires et réévaluer les limites de reprise.

• Fiche de procédé : consigner le matériau et l’épaisseur de tôle, la disposition des soudures, les références de positionnement, les points d’appui du montage, ainsi que l’ordre des soudures de pointage et des soudures principales.
• Consigner simultanément les éléments de mesure après soudage, la décision d’acceptation ou de reprise, la méthode de redressage utilisée, le nombre d’opérations de redressage et les résultats du contrôle après intervention.
• Intégrer les positions hors tolérance et l’efficacité du redressage aux revues de conception, de montage ou de séquence de soudage du lot suivant, au lieu de conserver les seuls résultats de reprise dans le dossier de contrôle.

Problèmes courants liés au contrôle et au redressage des déformations de soudage des tôles minces

La conformité de l’aspect des soudures d’un composant de structure en tôle mince ne signifie pas nécessairement que ses dimensions géométriques sont conformes. Les problèmes ci-dessous doivent être évalués en fonction des références du plan, de l’état du matériau, des exigences relatives aux soudures et des résultats des mesures réelles ; des paramètres uniformes ne peuvent pas remplacer la validation du procédé.