Analyse des causes de fissures de soudure âme-arbre du tambour de grue

Cette analyse de fissures de soudure sur tambour de grue examine le cas d'une grue en service depuis de nombreuses années présentant des fissures au niveau de la soudure entre l'âme du tambour et l'arbre. Bien que les dommages visibles semblent être dus à une fatigue localisée du métal, les causes sous-jacentes peuvent être liées à la conception structurelle, au procédé de soudage, à l'état du matériau, au transfert de contraintes, à la qualité de fabrication et d'assemblage, ainsi qu'aux conditions d'exploitation.

1. Relation entre le tambour de la grue, la plaque d'âme, le moyeu et l'arbre

Dans les appareils de levage, le tambour est un élément de transmission essentiel servant à enrouler le câble et à lever ou tirer la charge. Le tambour supporte le câble, tandis que des plaques d'âme sont généralement disposées à ses extrémités pour le relier au moyeu ou à l'arbre.

Dans une structure classique, le moyeu est soudé au centre de la plaque d'âme. Il est ensuite relié à l'arbre du tambour par une clavette, et l'arbre est supporté par des paliers. Dans ce cas, la plaque d'âme est soudée directement à l'arbre du tambour, qui est un arbre long.

La plaque d'âme n'est donc pas qu'une simple plaque de liaison. Elle transmet également le couple et la force radiale entre la paroi du tambour et l'arbre. Les ouvrages de référence sur les défaillances de tambours mentionnent souvent les fissures de fatigue comme motif de remplacement ; cette étude de cas examine plus précisément les causes possibles de l'apparition de fissures autour de la soudure entre la plaque d'âme et l'arbre.

2. Pourquoi la fissure apparaît-elle près du côté de l'arbre du tambour ?

D'un point de vue mécanique, la plaque de l'âme du tambour est une plaque mince soumise à la torsion, à la flexion, à la traction-compression et au cisaillement dans son plan. À proximité de l'arbre du tambour, plusieurs conditions défavorables peuvent survenir simultanément : un changement brusque de section, l'influence des soudures et des charges cycliques.

2.1 Concentration des contraintes due à un changement de section brutal

Au niveau de l'arbre du tambour, la structure passe d'un arbre relativement épais à une âme plus mince. Pour le positionnement axial et le soudage, un épaulement est généralement prévu à l'emplacement correspondant de l'âme. Si le rayon de transition est trop petit ou si la transition n'est pas progressive, des concentrations de contraintes peuvent apparaître.

Les défauts de soudure tels que les caniveaux et la pénétration incomplète peuvent également devenir des sources d'amorçage de fissures.

2.2 Contraintes cycliques et chargement par impact

Lors du fonctionnement du tambour, la force de traction générée par l'enroulement du câble est transmise à travers l'enveloppe du tambour à la plaque centrale, puis à l'arbre du tambour. Chaque cycle d'enroulement et de levage applique des contraintes répétées à cette zone, ce qui peut engendrer une fatigue oligocyclique combinée à des chocs localisés.

2.3 Contraintes résiduelles de soudage

Lors du soudage de la plaque centrale et de l'arbre du tambour, la zone de soudure subit des variations locales de température et un retrait dû au refroidissement. Si la structure soudée n'est pas entièrement recuite ou détendue après soudage, des contraintes de traction résiduelles subsistent autour de la soudure. Lorsque ces contraintes de traction résiduelles se superposent à la charge de service, le risque d'amorçage de fissures augmente.

3. Processus de développement de la fissure de la plaque de renfort

L'évolution de la fissure peut être observée en trois étapes.

La première étape est l'amorçage. Au niveau de la racine de la soudure ou du rayon de transition, des défauts microscopiques peuvent devenir des amorces de fissures sous l'action combinée des contraintes résiduelles de soudage et des contraintes de travail.

La deuxième étape est la propagation. Lors de chaque opération de levage, la charge suit le même trajet de transfert et la contrainte maximale se répète. La fissure se propage progressivement le long du joint de grain. La surface de rupture peut présenter des caractéristiques radiales ou en forme de coquille.

La troisième étape est la rupture. Lorsque la section utile restante ne suffit plus à supporter la charge, une rupture fragile soudaine peut se produire, éventuellement accompagnée d'une déchirure de la plaque d'âme ou d'une séparation de l'arbre du tambour.

4. Causes fréquentes de fissuration des soudures entre l'âme et l'arbre du tambour de grue

4.1 Facteurs de conception structurelle

Si la transition entre la plaque d'âme et l'arbre du moyeu ou du tambour ne présente pas un rayon de courbure approprié, les contraintes peuvent varier brutalement. Une épaisseur insuffisante de la plaque d'âme peut également compromettre la résistance à la fatigue. Un emplacement de soudure mal choisi peut accroître encore ce risque, notamment si la soudure se situe dans une zone de fortes contraintes plutôt que dans une zone de faibles contraintes.

4.2 Facteurs de qualité du soudage

Les défauts de soudure courants comprennent la pénétration incomplète, les inclusions de laitier, la porosité, les caniveaux et les marques de soudure. Si aucun contrôle non destructif, tel que le contrôle par ultrasons ou le contrôle radiographique, n'est effectué après le soudage, des défauts cachés peuvent persister longtemps dans la structure.

Des paramètres de soudage non optimisés et un traitement thermique de relaxation des contraintes insuffisant après soudage peuvent également accroître le risque. Pour les grandes structures cylindriques, le traitement thermique de relaxation des contraintes peut s'avérer difficile à réaliser. La relaxation des contraintes par vibration peut également être difficile à appliquer intégralement, et le vieillissement naturel ou tout autre traitement de vieillissement peut être affecté par les contraintes de calendrier du projet.

4.3 Charges de fonctionnement au-delà des conditions de conception

Une surcharge prolongée au-delà de la charge nominale peut accroître le risque de fatigue de la structure. Les démarrages et freinages fréquents lors du levage peuvent engendrer des chocs importants. Si le câble est mal enroulé sur le tambour, la répartition des forces sur celui-ci devient inégale et les contraintes locales peuvent être bien supérieures à la valeur nominale.

4.4 Erreurs de fabrication et d'assemblage

Si l'ajustement entre l'alésage intérieur de la plaque de fixation et l'arbre est trop serré ou trop lâche, la contrainte locale initiale risque d'être irrégulière. Les contraintes d'assemblage non complètement relâchées peuvent ensuite s'ajouter aux contraintes de fonctionnement.

4.5 Corrosion et facteurs environnementaux

Lorsqu'un tambour est exposé longtemps à un environnement humide ou corrosif, la zone de soudure est plus sujette à la corrosion. Les zones corrodées sont également des sites fréquents d'amorçage de microfissures.

5. Mesures d'inspection, de réparation et de prévention

Pour les équipements existants, un contrôle par magnétoscopie ou par ultrasons peut être effectué régulièrement autour de la soudure entre l'âme du tambour et l'arbre. En cas de fissures, l'âme doit être réparée par soudage ou remplacée sans délai, et le câblage doit être vérifié afin d'éviter toute charge excentrée.

Pour la conception ou la fabrication de nouveaux tambours de grue, le rayon de transition doit être optimisé et la position des soudures choisie de manière à éviter autant que possible les zones de contraintes maximales. La procédure de soudage doit être rigoureusement contrôlée. Le soudage multipasse et le soudage symétrique permettent de réduire les contraintes résiduelles, et un vieillissement vibratoire ou un vieillissement naturel peuvent être appliqués selon les conditions réelles.

Pour une gestion optimale de l'exploitation, il convient d'éviter les surcharges prolongées ainsi que les démarrages et freinages fréquents. Le câblage doit être conforme aux exigences en vigueur et les câbles usés doivent être remplacés régulièrement.

La fissuration des soudures des tambours de grue n'est généralement pas due à un seul facteur. Un examen approfondi de la structure, des soudures, de la charge, de l'assemblage et de l'environnement permet d'identifier l'origine de la fissure et de choisir les mesures correctives adaptées aux conditions réelles du site.

Cindy

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