Le soudage de l’acier de construction assemble les éléments porteurs, y compris les poteaux, les poutres, les plaques de base et les raidisseurs, en une seule ossature continue en fondant leurs bords afin que le métal s’écoule ensemble et se solidifie en une pièce unique. La majeure partie de ce travail se déroule dans un atelier de fabrication, où les sections reconstituées sont réalisées dans des conditions contrôlées ; sur le chantier, les monteurs passent souvent aux boulons à haute résistance pour la rapidité et la sécurité. L’ensemble de cette activité est régi par AWS D1.1, le code de soudage de l’acier, qui définit la conception, la réalisation, la qualification et l’inspection des soudures. Cet article couvre les procédés utilisés par les soudeurs, les types de soudures et d’assemblages que l’on lit sur les plans d’atelier, les codes et qualifications qui les sous-tendent, la manière dont la qualité est contrôlée, et quand souder plutôt que boulonner.
Ce que fait réellement le soudage de l’acier structural
Le soudage permet à un bâtiment en acier de supporter les charges comme une structure unique, plutôt que comme un ensemble de pièces distinctes. Un arc électrique fond une petite zone du métal de base et apporte du matériau d’apport provenant d’une électrode ou d’un fil ; une fois refroidi, le métal de la soudure se solidifie en une pièce continue, intégrée aux éléments qu’il relie. Comme une soudure pleine résistance n’ajoute aucun trou de boulon, le joint ne diminue pas la section transversale de l’élément, raison pour laquelle une soudure bien exécutée peut être aussi solide que la poutre ou le poteau qu’elle unit.
Ce procédé remplit deux fonctions au sein d’une ossature en acier. Il contribue à la fabrication des éléments eux-mêmes, puisque les profilés H et les profilés en caisson soudés sont obtenus en assemblant des tôles d’acier, et il assure la fixation des pièces de liaison telles que les semelles, les plaques d’extrémité, les cornières et les raidisseurs. Le soudage est donc le moyen par lequel Composants des bâtiments métalliques des éléments d’une ossature deviennent un ensemble rigide plutôt que des pièces détachées. La manière dont ces éléments sont reliés est déterminée dès le départ, en même temps que le dimensionnement des membres et le système de contreventement, dans le cadre d’un processus plus global. conceptions de bâtiments en acier pour le projet.
Chaque soudure comporte un compromis. Une pénétration plus importante et une quantité accrue de métal d’apport renforcent la résistance, mais elles génèrent aussi de la chaleur, qui entraîne des déformations et des contraintes résiduelles dans l’acier environnant. Les fabricants maîtrisent ce phénomène par la conception des joints, l’ordre de soudage et le contrôle de la chaleur, plutôt que de simplement ajouter davantage de soudures. Un fabricant disposant de lignes de soudage dédiées aux profilés H et aux sections en caisson, comme KAFA dans son usine de Qingdao, définit ces séquences une fois et les répète pour chaque élément.
Procédés de soudage utilisés sur l’acier de construction
Quatre procédés de soudage à l’arc couvrent presque l’ensemble des travaux sur l’acier de construction, et le choix entre eux dépend principalement du lieu de réalisation de la soudure : en atelier ou sur chantier. L’atelier offre protection, dispositifs de fixation et automatisation ; le chantier exige mobilité et tolérance aux intempéries et au vent.
- Soudage à l’arc avec électrode revêtue (SMAW), ou soudage à la baguette : portable, tolérant au vent et aux impuretés de surface, et réalisé avec des électrodes à faible teneur en hydrogène, telles que E7018. Il demeure un outil de secours sur chantier.
- Soudage à l’arc avec fil fourré auto‑protégé (FCAW-S) : il produit lui-même son atmosphère de protection grâce au fil, ce qui lui permet d’être utilisé en extérieur, là où un gaz de protection serait emporté par le vent. C’est le cheval de trait du soudage de production sur chantier.
- Soudage à l’arc avec fil fourré protégé par gaz (FCAW-G) et soudage à l’arc métallique avec gaz (GMAW/MIG) : dépôt plus élevé et cordons de soudure plus propres, mais le gaz de protection externe est sensible au vent, raison pour laquelle ils sont réservés aux ateliers.
- Soudage à l’arc submergé (SAW) : il assure un dépôt très élevé sous un coussin de flux granulaire et s’automatise facilement, ce qui le rend idéal pour les longues soudures lourdes sur des sections assemblées en atelier.
En pratique, les équipes sur chantier privilégient le soudage à l’électrode revêtue et le FCAW-S, tandis que les ateliers préfèrent le FCAW-G, le GMAW et le SAW. Le vent est un facteur important, car il dissipe le gaz de protection et expose le bain de fusion à l’air. Une connexion située en plein air doit donc être réalisée par un procédé auto‑protégé ou déplacée à l’intérieur. Éliminer l’hydrogène de la soudure grâce à des consommables à faible teneur en hydrogène et à un stockage sec est essentiel dans tous les procédés, car l’hydrogène est à l’origine des fissures évoquées plus loin. Ces choix technologiques influencent directement la manière dont le fabricant planifie Construction à ossature métallique, puisqu’ils déterminent ce qui peut être préfabriqué et ce qui doit être achevé sur site.
Types de soudures et joints sur les plans
Les soudures d’angle et les soudures en gorge assurent la majeure partie du travail dans la construction métallique, chacune convenant à une géométrie de joint différente. La soudure d’angle présente une section transversale approximativement triangulaire appliquée le long de l’angle où se rejoignent deux surfaces ; elle ne nécessite aucune préparation des bords et est dimensionnée selon la longueur de sa jambe. C’est la soudure la plus courante en fabrication métallique, car elle est rapide et économique. La soudure en gorge comble un espace préparé entre deux pièces, les bords étant taillés en angle droit ou façonnés en V simple ou double, en chanfrein, en U ou en J pour une fusion plus profonde.
Les soudures en gorge se déclinent en deux types ayant une importance particulière sur les plans. La soudure en gorge à pénétration complète (CJP) fusionne sur toute l’épaisseur et développe la pleine résistance de la pièce connectée, tandis que la soudure à pénétration partielle (PJP) n’est fusionnée qu’en partie et est spécifiée lorsque la résistance maximale n’est pas requise. Les soudures à cheville et à rainure sont utilisées dans les rares cas où combler un trou est la seule solution pour réaliser la liaison.
| Type de soudure | Préparation des bords | Utilisation typique | Strength |
|---|---|---|---|
| Fillet | None | Joints en T, à cheval et d’angle | Dimensionnés selon la longueur des jambes |
| Rainure (CJP) | Yes | Connexions bout à bout et en T à pleine résistance | Développe la résistance complète des membres |
| Rainure (PJP) | Yes | Connexions ne nécessitant pas une résistance complète | Partielle, par conception |
Ces soudures sont appliquées à cinq joints standard définis dans AWS D1.1 et AISC 360, chapitre J : bout à bout, en T, à recouvrement, d’angle et de bord. Le symbole de soudure figurant sur un plan indique au fabricant le type, la taille, la longueur et l’emplacement de la soudure ; savoir l’interpréter est donc une condition indispensable sur le chantier. Si vous débutez avec cette notation, commencez par la lecture des plans structurels en acier, car cet ensemble de symboles régit toutes les soudures qui suivent. Choisir entre une soudure d’angle et une rainure, ainsi qu’entre CJP et PJP, constitue l’une des décisions fondamentales lors de la définition des détails des connexions des structures en acier.
Normes et qualification des soudeurs
AWS D1.1, le Code de soudage structural pour l’acier, est le document régissant le soudage de l’acier porteur aux États-Unis, et il encadre bien plus que le cordon de soudure lui-même. Il établit des règles concernant la conception des assemblages soudés, la préqualification des joints courants, les essais de qualification, la fabrication ainsi que l’inspection. La conception des assemblages s’appuie également sur le chapitre J d’AISC 360, qui précise comment dimensionner les soudures et les boulons en fonction des efforts qu’ils doivent supporter.
La traçabilité d’une soudure de qualité commence par une Spécification de Procédure de Soudage (WPS). Une WPS est la recette écrite d’une soudure : le procédé, le métal d’apport, le détail du joint, les températures de préchauffage et d’interpass, ainsi que les paramètres électriques. Elle est appuyée par un Registre de Qualification de Procédure (PQR) attestant que cette recette produit un métal de bonne qualité, sauf lorsque le joint fait partie des détails préqualifiés déjà acceptés par le code. Les soudeurs eux-mêmes sont qualifiés séparément par des essais de performance pour les positions et les procédés qu’ils exécutent.
Cette documentation distingue une soudure simplement fondue d’une soudure véritablement fiable. Un fabricant opérant sous un système de management de la qualité ISO 9001:2015 associe à chaque élément fabriqué une WPS qualifiée et des soudeurs certifiés. Le code, la procédure et la qualification du soudeur doivent être parfaitement alignés avant même que le premier arc ne soit allumé.
Qualité des soudures, inspection et défauts courants
Chaque soudure structurelle fait l’objet d’une inspection visuelle, et les plus critiques font l’objet d’essais non destructifs supplémentaires avant la mise en charge de la structure. L’inspection visuelle (VT) est obligatoire selon AWS D1.1 et permet de détecter des problèmes de surface tels que des soudures sous-dimensionnées, des sous-coups ou des fissures apparentes. Au-delà de l’œil, quatre méthodes non destructives prennent le relais :
- L’essai par ultrasons (UT), y compris l’array phasé, constitue le choix habituel pour les soudures à gorge dans les tôles épaisses, car il repère les défauts internes en analysant les ondes sonores réfléchies.
- Radiographic testing (RT) images internal discontinuities on film or a detector.
- L’essai par particules magnétiques (MT) met en évidence les fissures de surface et proches de la surface dans l’acier.
- L’essai par pénétration liquide (PT) révèle les défauts superficiels très fins que l’œil pourrait passer inaperçus.
Le défaut qui préoccupe le plus les ingénieurs est la fissuration induite par l’hydrogène, également appelée fissuration à froid. Elle peut apparaître des heures, voire des jours après le refroidissement de la soudure, lorsque trois conditions se conjuguent : une microstructure dure et sensible, de l’hydrogène dissous et des contraintes résiduelles de traction. Les mesures de prévention consistent à préchauffer l’acier pour ralentir sa vitesse de refroidissement et à utiliser des consommables à faible teneur en hydrogène conservés au sec. Le préchauffage de l’acier au carbone se situe généralement entre 200 et 400 °F, selon l’épaisseur et la teneur en carbone. La norme AWS D1.1 prend le risque de fissuration tardive suffisamment au sérieux pour retarder l’inspection finale de certains aciers haute résistance trempés et revenus jusqu’à au moins 48 heures après la soudure.
L’acier plus épais ou à plus forte teneur en carbone refroidit plus rapidement et augmente le risque de fissuration ; il convient donc d’appliquer un préchauffage et de maintenir la température interpass dans la plage adéquate pendant la construction du joint. D’autres défauts relèvent davantage de la technique : porosité due à l’emprisonnement de gaz lorsque le gaz de protection disparaît, sous-coupe qui creuse le métal de base au niveau du pied de la soudure et réduit la durée de vie en fatigue, inclusions de scories et fusion incomplète. Chacun de ces défauts est détectable par les méthodes d’inspection mentionnées précédemment, raison pour laquelle l’ordre est toujours : souder, inspecter, puis charger.
Soudage vs boulonnage dans les bâtiments en acier
Le choix entre soudage et boulonnage dépend de l’endroit où les travaux sont réalisés et de la manière dont le joint sera inspecté, et non d’un simple classement de l’un comme meilleur que l’autre. Un joint soudé est continu, n’entaille pas la section transversale, offre de bonnes performances sous des charges cycliques, dynamiques et sismiques, présente un aspect lisse et convient bien à la préfabrication. Ses coûts comprennent des soudeurs qualifiés, des travaux sur chantier plus longs et sensibles aux conditions météorologiques, des inspections plus onéreuses ainsi qu’une certaine permanence. Un joint boulonné se monte rapidement avec des outils simples, n’est pas affecté par les intempéries, peut être démonté ou modifié et est facile à inspecter, mais ses trous retirent de la matière et sa précontrainte peut nécessiter un contrôle au fil du temps.
| Facteur | Soudé | Boulonné |
|---|---|---|
| Résistance de la connexion | La plus élevée ; continuité totale, sans trous | Réduite par les trous de boulons |
| Vitesse sur chantier | Plus lent, sensible aux intempéries | Rapide, indépendant des conditions météorologiques |
| Coût sur le terrain | Plus élevé, main-d’œuvre qualifiée | Inférieur |
| Inspection | UT/RT, more involved | Contrôles visuels et de couple |
| Réversibilité | Permanent | Amovible, modifiable |
| Idéal pour | Connexions par moment, charges dynamiques, préfabriqué | Montage, modifications futures |
La réponse de l’industrie est rarement l’une ou l’autre. Les éléments assemblés et les connexions permanentes, telles que les joints entre colonne et plaque de fondation ou entre poutre et colonne pour le moment, sont soudés en atelier, tandis que les connexions sur chantier, qui maintiennent la structure ensemble lors du montage, sont réalisées par boulonnage à haute résistance. Cette répartition est dictée par des considérations économiques. Les soudures effectuées sur chantier coûtent généralement nettement plus cher que les mêmes soudures réalisées en atelier, et le soudage sur site est en général moins productif ; c’est pourquoi les fabricants concentrent les opérations de soudage sous le toit de l’atelier et confient aux boulons le travail rapide sur place. Pour un aperçu plus complet de cette décision au niveau du bâtiment, voir bâtiments en acier soudés ou boulonnés.
Conclusion
Sur un bâtiment en acier, l’ordre d’exécution prime sur chaque soudure individuelle : il convient d’abord de stabiliser l’environnement et les charges, puis de choisir le type de soudure, enfin de s’occuper des documents administratifs. Il faut déterminer quelles connexions seront soudées en atelier et lesquelles seront boulonnées sur chantier, car cette répartition découle directement du lieu d’exécution et des sollicitations auxquelles la connexion est soumise. Privilégiez les soudures à angle pour les liaisons courantes et les soudures à pénétration complète dans la jointure lorsque celle-ci doit développer la pleine résistance de l’élément. Ensuite, appuyez l’ensemble avec un procédé de soudage (WPS) qualifié, des soudeurs certifiés, un préchauffage là où l’acier l’exige, ainsi qu’un niveau d’inspection conforme aux exigences du code pour chaque soudure. Si cet ordre est respecté, les soudures individuelles se fondent dans une ossature qui se comporte comme une seule structure sous charge.
FAQ
Le soudage est-il plus résistant que le boulonnage pour les connexions en acier ?
A correctly designed weld can be as strong as or stronger than the member it joins, because it adds no bolt holes that remove cross-section. That continuity is why moment connections and members under dynamic or seismic load are often welded rather than bolted. Bolting can still be the better engineering choice when speed, reversibility, or field conditions matter more than peak joint strength.
Quel procédé de soudage est utilisé pour l’acier structural ?
Le soudage à l’arc manuel (SMAW) et le soudage à fil fourré auto‑protégé (FCAW‑S) dominent les travaux sur chantier, car ils supportent bien le vent, tandis que le soudage à fil fourré protégé par gaz (FCAW‑G), le MIG (GMAW) et le soudage à arc immergé (SAW) sont employés en atelier. Le facteur décisif est généralement le mode de protection : à l’extérieur, un procédé capable de produire sa propre protection résiste au vent, alors qu’à l’intérieur, on peut recourir à des procédés à dépôt élevé, protégés par gaz, ou automatisés.
Quel code régule le soudage de l’acier structural ?
AWS D1.1, le Code de soudage structural pour l’acier, encadre la conception, la qualification, la fabrication et l’inspection des structures en acier soudées aux États-Unis. La conception des connexions s’appuie également sur AISC 360, chapitre J. Ensemble, ces normes déterminent les dimensions des soudures, les modalités de qualification des procédés et des soudeurs, ainsi que les critères d’acceptation des soudures finies.
Comment les soudures structurelles sont-elles inspectées ?
Toutes les soudures structurelles font l’objet d’une inspection visuelle, et les soudures à joint en V critiques sont généralement soumises à un contrôle par ultrasons afin de détecter les défauts internes. Les contrôles radiographiques, par particules magnétiques et par pénétration de liquide couvrent d’autres cas, allant des discontinuités enterrées aux fines fissures de surface. La méthode est adaptée au type de soudure et à son importance, et l’inspection est réalisée avant que la structure ne soit soumise à une charge.
Pourquoi les soudeurs préchauffent-ils l’acier structural ?
Le préchauffage ralentit la vitesse de refroidissement afin que la zone de soudure n’adopte pas une microstructure dure et fragile qui, combinée à l’hydrogène et aux contraintes résiduelles, pourrait entraîner des fissures à froid. Cela est particulièrement important pour les pièces épaisses et les aciers à teneur en carbone élevée, qui refroidissent le plus rapidement. Le préchauffage est associé à des consommables à faible teneur en hydrogène et au contrôle de la température entre passes, constituant ainsi une stratégie unique de prévention des fissures.
Pour aller plus loin
- AWS D1.1, Code de soudage structural pour l’acier (American Welding Society) — le code américain régissant le soudage de l’acier porteur, qui soutient les exigences de qualification et d’inspection décrites ci-dessus.
- Welding in structural steelwork (SteelConstruction.info, SCI/BCSA) — un guide technique industriel relatif aux procédés de soudage, aux types de soudure, à la qualification des soudeurs et à la prévention des défauts lors de la fabrication.
- Soudage, découpe et brasage (OSHA) — les normes américaines de sécurité au travail concernant les risques liés aux opérations de soudage sur l’acier.
