Pourquoi le sens de laminage peut-il être important dans une fabrication soudée ?

Le laminage impose une direction privilégiée au produit métallique

Une tôle d’acier est généralement obtenue par passages successifs du métal entre des cylindres qui réduisent progressivement son épaisseur et augmentent sa longueur. Cette transformation produit naturellement une direction principale correspondant au déplacement du matériau pendant le laminage.

Le produit obtenu n’est donc pas nécessairement parfaitement isotrope, c’est-à-dire identique dans toutes les directions. La déformation des grains, la texture cristallographique et l’orientation de certaines inclusions ou discontinuités peuvent contribuer à donner des propriétés différentes suivant la direction considérée.

Cette particularité fait partie de l’histoire de fabrication du produit. Les différences entre acier laminé, forgé et moulé sont présentées plus largement dans notre FAQ Quelle différence entre un acier laminé, forgé et moulé pour le soudage ?.

On distingue généralement les directions longitudinale, transversale et dans l’épaisseur

La direction longitudinale correspond au sens principal dans lequel la tôle a été laminée. La direction transversale se situe dans le plan de la tôle mais perpendiculairement à ce sens. Enfin, la direction dite courte transversale correspond à l’épaisseur du produit.

Ces trois directions sont parfois désignées par les lettres L, T et Z. La terminologie exacte peut varier selon les documents et les essais considérés, mais le principe reste le même : les propriétés sont examinées parallèlement au laminage, transversalement au laminage ou perpendiculairement au plan de la tôle.

TWI rappelle qu’une tôle laminée peut présenter des propriétés différentes dans les directions longitudinale, transversale et à travers l’épaisseur. Cette dernière direction constitue souvent le cas le plus particulier dans une construction soudée.

Le sens longitudinal et le sens transversal ne rendent pas automatiquement une soudure bonne ou mauvaise

Dans une fabrication courante en acier de construction, il serait incorrect d’affirmer qu’un joint doit systématiquement être orienté parallèlement ou perpendiculairement au sens de laminage pour pouvoir être soudé correctement.

De nombreuses tôles sont assemblées dans différentes orientations sans difficulté particulière. La soudabilité dépend principalement de la nuance, de la composition, de l’épaisseur, de l’état de livraison et des conditions de soudage plutôt que du seul angle formé entre le cordon et la direction de laminage.

Le sens de laminage devient surtout important lorsqu’il intervient dans les propriétés mécaniques exigées, dans une opération de formage, dans la conception d’un élément fortement sollicité ou lorsque les contraintes agissent à travers l’épaisseur du produit.

Le sens de laminage peut également intervenir lors du pliage et du formage

La capacité d’une tôle à être pliée peut varier selon l’orientation de la ligne de pli par rapport au sens de laminage. Cet effet dépend fortement de la nuance, de la résistance du matériau, de son état de livraison et du rayon utilisé.

Pour certains produits, les recommandations du fabricant distinguent donc les conditions de pliage suivant l’orientation du produit. Il peut notamment être nécessaire d’utiliser un rayon plus important dans la direction la moins favorable.

Cette question concerne essentiellement la mise en forme préalable de la pièce et non le soudage lui-même. Elle est développée dans notre FAQ consacrée à l’influence du formage à froid avant soudage.

La direction dans l’épaisseur constitue souvent le point le plus important pour les assemblages soudés

Les propriétés d’une tôle dans son épaisseur peuvent être moins favorables que celles mesurées dans son plan. Cette différence provient notamment du procédé de fabrication et de l’orientation que peuvent prendre certaines inclusions non métalliques pendant le laminage.

Des inclusions initialement dispersées dans le métal peuvent être aplaties et allongées parallèlement à la surface de la tôle. Le matériau conserve alors de bonnes propriétés dans le plan tout en pouvant présenter une ductilité plus faible lorsqu’il est sollicité perpendiculairement à celui-ci.

SteelConstruction.info explique ainsi que le laminage tend à orienter certaines inclusions et discontinuités parallèlement à la surface, ce qui rend les propriétés dans l’épaisseur plus sensibles à leur présence. La ressource consacrée aux propriétés dans l’épaisseur des tôles d’acier détaille ce phénomène.

Certains assemblages soudés sollicitent fortement la tôle dans son épaisseur

Un assemblage bout à bout réalisé dans le plan de deux tôles ne sollicite pas nécessairement fortement le matériau dans son épaisseur. La situation peut être différente dans un assemblage en T, en croix ou dans certaines liaisons fortement bridées comportant des soudures importantes.

Lorsque le métal fondu se refroidit après soudage, il se contracte. Si la géométrie et le bridage de l’assemblage empêchent librement cette contraction, les efforts qui en résultent peuvent être transmis à travers l’épaisseur de la tôle sur laquelle l’élément est soudé.

Si cette tôle possède une faible ductilité dans la direction Z, cette sollicitation devient plus défavorable que lorsque les efforts restent principalement dans son plan.

Une faible ductilité dans l’épaisseur peut favoriser l’arrachement lamellaire

L’arrachement lamellaire est une fissuration particulière pouvant apparaître dans le métal de base, généralement sous une soudure, lorsque la tôle est fortement sollicitée à travers son épaisseur et possède une ductilité insuffisante dans cette direction.

Les fissures suivent fréquemment les plans correspondant aux inclusions allongées par le laminage et présentent un aspect caractéristique en gradins. Ce défaut concerne donc surtout certains produits laminés et certaines géométries d’assemblage.

TWI identifie trois conditions principales favorisant le phénomène : une déformation agissant à travers l’épaisseur de la tôle, une orientation de joint défavorable et un matériau présentant une faible ductilité dans cette direction. Son guide sur les causes et la prévention de l’arrachement lamellaire développe ces différents facteurs.

Toutes les tôles laminées ne présentent évidemment pas un risque d’arrachement lamellaire

Le fait qu’un acier soit laminé ne signifie pas qu’il va présenter ce défaut. Les procédés sidérurgiques modernes permettent de produire des aciers très propres avec de faibles teneurs en soufre et une maîtrise importante des inclusions.

Le risque dépend à la fois du matériau et de la conception du joint. Une tôle possédant des propriétés ordinaires peut parfaitement convenir lorsqu’elle n’est pas fortement sollicitée dans son épaisseur, tandis qu’un assemblage très contraint peut justifier une sélection particulière du produit.

L’arrachement lamellaire doit donc être considéré comme un risque lié à une combinaison de facteurs, et non comme une conséquence normale du laminage ou du soudage d’une tôle.

Les aciers avec propriétés garanties dans l’épaisseur répondent aux applications exigeantes

Lorsque la conception impose des efforts importants à travers l’épaisseur d’une tôle, il est possible de spécifier des produits présentant des propriétés contrôlées dans cette direction. Ces aciers sont couramment désignés par une classe de qualité Z.

Dans le cadre de l’EN 10164, les désignations Z15, Z25 et Z35 correspondent à différents niveaux de ductilité évalués par des essais de traction réalisés à travers l’épaisseur. La valeur représente un niveau minimal de réduction de section déterminé par l’essai.

Une valeur Z plus élevée correspond donc à une meilleure ductilité garantie dans l’épaisseur. Le choix d’une telle qualité ne doit toutefois pas être fait arbitrairement : il dépend de la conception de l’assemblage, de son niveau de sollicitation et des exigences du projet.

La conception du joint peut être aussi importante que le choix du matériau

Lorsqu’un assemblage risque de solliciter fortement une tôle dans son épaisseur, plusieurs solutions peuvent être envisagées dès la conception. La géométrie du joint peut parfois être modifiée afin de réduire les contraintes dans cette direction ou de mieux répartir le retrait des soudures.

L’utilisation de soudures équilibrées, la réduction du volume de métal déposé lorsque cela est compatible avec la résistance recherchée, le choix d’une séquence appropriée et la maîtrise du bridage peuvent également limiter les sollicitations défavorables.

Dans les constructions les plus exigeantes, la prévention du risque repose donc sur un ensemble cohérent : matériau adapté, conception du joint, procédure de soudage et ordre de fabrication.

Le sens de laminage doit être conservé dans la traçabilité lorsqu’il constitue une donnée importante

Pour une fabrication courante, il n’est pas toujours nécessaire de repérer individuellement le sens de laminage sur chaque petite pièce découpée. Cette information peut toutefois devenir importante lorsque le plan, la procédure ou les exigences mécaniques imposent une orientation particulière.

Dans ce cas, les repères portés sur la tôle mère doivent être transférés ou conservés pendant les opérations de découpe afin d’éviter de perdre l’information lorsque plusieurs éléments sont débités.

Cette logique rejoint plus largement la traçabilité des matériaux : une caractéristique utile à la fabrication ne doit pas disparaître simplement parce que le produit initial a été découpé en plusieurs pièces.

Comment prendre en compte le sens de laminage avant de souder ?

La première étape consiste à déterminer si l’orientation du produit possède réellement une importance pour la fabrication concernée. Pour de nombreux assemblages courants, il n’est pas nécessaire de modifier la conception uniquement en fonction du sens longitudinal ou transversal de la tôle.

Il faut en revanche porter une attention particulière aux zones où les efforts de soudage ou de service traversent l’épaisseur d’un produit laminé, notamment dans certaines liaisons en T, en croix ou fortement bridées. Les propriétés requises dans la direction Z doivent alors être évaluées dès la conception.

Enfin, lorsqu’une qualité particulière, une orientation de tôle ou une propriété dans l’épaisseur est spécifiée, cette exigence doit rester identifiable tout au long du débit, du formage, du pointage et du soudage. Le sens de laminage devient alors une donnée réelle de fabrication et non une simple indication portée sur le produit d’origine.