Concevoir un châssis soudé pour maîtriser les déformations

Une soudure est une petite pièce coulée qui se solidifie bridée contre quelque chose de plus froid et de plus rigide qu'elle. En refroidissant elle veut se contracter, l'acier environnant l'en empêche, et la différence est stockée en contraintes résiduelles puis restituée en mouvement. Tout problème de déformation d'un châssis soudé est une version de cette phrase.

Le mouvement se produit dans trois directions et il vaut la peine de les nommer, car les remèdes diffèrent. Le retrait transversal rapproche les pièces en travers du cordon. Le retrait longitudinal raccourcit la barre le long du cordon et, si le cordon est hors de l'axe neutre, la cintre. La déformation angulaire referme l'assemblage autour de la racine, car un cordon d'angle comme une soudure en V dépose plus de métal en haut qu'en bas, et le haut se contracte donc davantage.

Le concepteur décide plus que le soudeur

Lorsqu'un châssis arrive à l'atelier, son comportement en déformation est déjà largement fixé. Voici les choix qui comptent, à peu près par ordre d'effet.

• La gorge du cordon. Le levier le plus efficace, et celui que l'on fixe le plus souvent sans y penser. Le volume d'un cordon d'angle croît avec le carré du côté : un cordon de 6 mm dépose environ deux fois et quart le métal d'un cordon de 4 mm, se contracte d'autant, coûte d'autant et échauffe la pièce d'autant. Un cordon dimensionné pour la charge plutôt que par habitude est la maîtrise de déformation la moins chère qui soit.
• La symétrie par rapport à l'axe neutre. Deux cordons équilibrés de part et d'autre de l'axe tirent l'un contre l'autre ; un seul cordon d'un côté cintre la barre. Là où l'assemblage ne peut être symétrique, attendez-vous au cintrage et soit contre-cintrez, soit usinez-le ensuite.
• Continu ou discontinu. Un cordon continu sur une longue liaison peu chargée apporte une chaleur et un retrait dont la liaison n'avait pas besoin. Des cordons discontinus réduisent les deux, là où la charge et l'environnement corrosif le permettent.
• La rigidité de section. Un caisson fermé résiste bien mieux au retrait qu'il contient qu'un profil en U de même masse. Fermer la section tôt dans la séquence ne coûte souvent rien et supprime toute une classe de mouvement.
• L'emplacement des faces fonctionnelles. Une face qui doit être plane et une face qui doit être près d'un cordon s'opposent. Dites quelles faces sont fonctionnelles et placez les cordons ailleurs.

Ce que maîtrise l'atelier

Le fabricant possède la séquence, et une bonne séquence fait beaucoup : équilibrer les cordons de part et d'autre de l'axe au fur et à mesure du montage, souder en pas de pèlerin et par tronçons sur les longues liaisons, souder du centre vers l'extérieur, et brider sans surbrider, car un assemblage rigidement bridé ne se déforme pas mais stocke la contrainte, et il bougera au desserrage.

Le soudage robotisé aide ici d'une façon peu évidente : sa valeur n'est pas la vitesse mais la répétabilité. Une énergie linéaire constante dans un ordre constant donne la même déformation sur chaque pièce, et une déformation toujours identique peut être compensée d'avance, ce qu'une déformation variable ne permet pas.

Quand cesser de lutter et usiner

Pour une face fonctionnelle de bâti de machine, il existe un point où la séquence et l'outillage cessent d'être la réponse économique et où la réponse honnête est de souder le châssis, le laisser se stabiliser, puis usiner la face. C'est le parcours ordinaire des châssis qui sortent de ce hall : souder, détensionner si le plan l'exige, puis aléser et dresser sur l'aléseuse horizontale en une seule prise, pour que les portées et les alésages partagent la même référence.

La chose la plus utile qu'un plan puisse faire est de séparer les deux sortes de cotes. Repérez les deux ou trois cotes fonctionnelles et donnez-leur de vraies valeurs ; laissez le reste à une classe de tolérance générale. Un châssis dont toutes les cotes sont resserrées n'est pas plus précis, seulement plus cher, et il masque quelles cotes comptaient vraiment.