ISO 18592:2009
(Main)Resistance welding — Destructive testing of welds — Method for the fatigue testing of multi-spot-welded specimens
Resistance welding — Destructive testing of welds — Method for the fatigue testing of multi-spot-welded specimens
ISO 18592:2009 specifies test specimens and procedures for performing constant load amplitude fatigue tests on multi-spot-welded and multi-axial specimens in the thickness range from 0,5 mm to 5 mm at room temperature and a relative humidity of max. 80 %. The applicability of ISO 18592:2009 to larger thicknesses can be limited by mechanical properties such as yield strength and formability of the specimen material. The thickness range for advanced high strength steels (AHSs) is generally below 3,0 mm. Greater thicknesses apply for aluminium alloys, for example. Depending on the specimen used, it is possible from the results to evaluate the fatigue behaviour of: a) spot welds subjected to defined uniform load distribution; b) spot welds subjected to defined non-uniform load distribution; c) spot welds subjected to different defined combinations of shear-, peel-and normal-tension loads; and d) the tested specimen. Multi-spot specimens with which the different load distributions can be realized are: 1) defined uniform load distribution; 2) defined non-uniform load distribution; 3) defined combinations of shear-, peel- and normal-tension loads; 4) spot welds subjected to undefined non-uniform load distribution. The specimens and tests referred to under 4) are not dealt with further in ISO 18592:2009, because the results obtained with these specimens are specific to the components as tested and may not be generalized or used for deriving data pertaining to the load-carrying behaviour of the welds. Results obtained with such tests are suitable for comparing the mechanical properties of the tested components with those of similar components tested in the same manner. These tests are, however, not suitable for evaluating or comparing the load-carrying properties of the welds. The test results of the fatigue tests obtained with component like specimens are suitable for deriving criteria for the selection of materials and thickness combinations for structures and components subjected to cyclic loading. This statement is especially relevant for results obtained with specimens with boundary conditions, i.e. a local stiffness similar to that of the structure in question. The results of a fatigue test are suitable for direct application to design only when the loading conditions in service and the stiffness of the design in the joint area are identical.
Soudage par résistance — Essais destructifs des soudures — Méthode d'essai de fatigue des échantillons soudés par points multiples
L'ISO 18592:2009 spécifie les éprouvettes et les procédures d'essai applicables aux essais de fatigue à amplitude d'effort constante, ces essais étant effectués sur des éprouvettes soudées par points multiples et à axes multiples, dans la gamme d'épaisseurs comprise entre 0,5 mm et 5 mm à la température ambiante et à une humidité relative de 80 % max. L'applicabilité de l'ISO 18592:2009 à des épaisseurs plus importantes peut être limitée par les propriétés mécaniques telles que la limite élastique et la formabilité du matériau constitutif des éprouvettes. La gamme d'épaisseurs pour les aciers à haute résistance mécanique (AHSS) est généralement inférieure à 3,0 mm. Des épaisseurs plus grandes, par exemple pour les alliages d'aluminium, sont admises. Selon l'éprouvette utilisée, les résultats permettent d'évaluer le comportement à la fatigue: a) des soudures par points soumises à une répartition définie uniforme des efforts; b) des soudures par points soumises à une répartition définie non uniforme des efforts; c) des soudures par points soumises à différentes combinaisons définies d'efforts de cisaillement, d'arrachement et de traction normale; et d) de l'éprouvette soumise à essai. Les éprouvettes soudées par points multiples avec lesquelles les différentes répartitions des efforts peuvent être effectuées sont les suivantes: 1) répartition des efforts uniforme définie; 2) répartition des efforts non uniforme définie; 3) combinaisons définies d'efforts de cisaillement, d'arrachement et de traction normale; 4) soudures par points soumises à une répartition non uniforme non définie des efforts. Les éprouvettes et essais auxquels il est fait référence à l'alinéa 4) ne sont pas traitées davantage dans l'ISO 18592:2009, car les résultats obtenus avec ces éprouvettes sont spécifiques aux composants soumis à essai et ne peuvent pas être généralisés ou utilisés pour calculer la capacité de transmission d'effort des assemblages soudés. Les résultats obtenus avec ces essais conviennent pour comparer les propriétés mécaniques des composants soumis à essai avec les propriétés mécaniques de composants similaires soumis aux mêmes essais. Ces essais, toutefois, ne conviennent pas pour évaluer ou comparer les capacités d'efforts des soudures. Les résultats des essais de fatigue obtenus avec les éprouvettes semblables aux composants conviennent pour déduire des critères de sélection des matériaux et des combinaisons d'épaisseur pour les structures et les composants soumis à des efforts cycliques. Cette indication est particulièrement pertinente pour les résultats obtenus avec des éprouvettes dans des conditions aux limites, c'est-à-dire dont la rigidité locale est similaire à celle de la structure concernée. Les résultats d'un essai de fatigue conviennent à une application directe à la conception uniquement lorsque les conditions d'effort en service et la rigidité de la conception dans la zone d'assemblage sont identiques.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 18592
First edition
2009-12-15
Resistance welding — Destructive testing
of welds — Method for the fatigue testing
of multi-spot-welded specimens
Soudage par résistance — Essais destructifs des soudures — Méthode
d'essai de fatigue des échantillons soudés par points multiples
Reference number
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ISO 2009
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ISO 18592:2009(E)
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Published in Switzerland
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ISO 18592:2009(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction.v
1 Scope.1
2 Normative references.2
3 Terms and definitions .3
4 Symbols and abbreviated terms .5
5 Specimens.7
5.1 General .7
5.2 Selection of suitable specimens.8
5.3 Specimen fabrication .10
5.4 Specimen geometry .11
6 Requirements for testing machine .21
7 Specimen grips and alignment .22
7.1 General .22
7.2 Shear and peel loading .23
8 Test procedure.24
8.1 General .24
8.2 Mounting the H-specimens.24
8.3 Clamping procedure for the H-specimens.24
8.4 Fatigue test .24
8.5 Test termination.25
9 Test report.27
9.1 Basic information .27
9.2 Presentation of fatigue test results .28
Annex A (informative) Calibration specimen for verifying the load distribution in H-specimens.30
Annex B (informative) Hydraulic grips for the fatigue testing of H-specimens.31
Annex C (informative) Grip for the fatigue testing of H-specimens.32
Annex D (informative) Flow chart — Data acquisition .33
Bibliography.36
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ISO 18592:2009(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 18592 was prepared by Technical Committee ISO/TC 44, Welding and allied processes, Subcommittee
SC 6, Resistance welding and allied mechanical joining.
Requests for official interpretations of any aspect of this International Standard should be directed to the
Secretariat of ISO/TC 44/SC 6 via your national standards body. A complete listing of these bodies can be
found at www.iso.org.
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ISO 18592:2009(E)
Introduction
This International Standard has been prepared because welding engineers (and most design engineers) are
not familiar with fatigue testing and the influence of factors such as load type (e.g. shear load, peel load), and
failure criteria.
Tests are used to investigate the existence of specific properties and their qualitative and quantitative
evaluation. Fatigue tests, in general, are used to investigate the behaviour of structures and components
subjected to cyclic loads. For welded components, fatigue tests are used to determine the influence of
different parameters such as joining methods, pitch, material thickness and material combinations type of load
(e.g. shear load, peel load), overlap, location of weld on flange, edge distance, loading condition (e.g. quasi-
static, cyclic, load ratio R), and the combination of environment and corrosion on the fatigue behaviour (life) of
spot welds and/or specimens subjected to various types of loads. Fatigue tests should, if their results are to be
used for design purposes, as far as possible, take into consideration such boundary conditions as
encountered in a real life environment. This applies to load types, load amplitudes, and load ratios as well as
load distributions and failure criteria (Reference [7]).
The test specimen selected for the fatigue test should simulate, as closely as possible, the loads and the
boundary conditions as they are encountered in service. Furthermore, the failure criterion used should
conform to the application in hand. Although the type of primary load is identical in some specimens, e.g.
shear load in flat multi-spot specimens, shear H-specimens, KS-2 specimens, and double disc specimens, the
results of fatigue tests differ significantly because of the secondary load types resulting from varying degrees
of local deformation due to the differences in the local stiffness in the area of the joints. The local deformation,
responsible for the magnitude of the peel component, for example, is a function of the local stiffness,
increasing with a decrease in stiffness.
This International Standard offers a framework within which the different specimens, described herein, can be
modified such that design specifics and production constraints, e.g. flange width and overlap, weld nugget
size, pitch, bending radius, and sub-standard welds, can be given due consideration. This helps towards
enhancing the significance of the results very appreciably.
Note that if welds could be subjected to identical amplitudes of shear and peel loads, their lives would differ by
4
a factor of approximately 10 (References [8] to [11]). This explains the necessity to use different specimens
for the simulation of different load types.
Conformance tests on real components serve the verification of design calculations and are necessary for the
qualification of structures. It is therefore necessary to maintain their number at an absolute minimum.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 18592:2009(E)
Resistance welding — Destructive testing of welds — Method
for the fatigue testing of multi-spot-welded specimens
1 Scope
This International Standard specifies test specimens and procedures for performing constant load amplitude
fatigue tests on multi-spot-welded and multi-axial specimens in the thickness range from 0,5 mm to 5 mm at
room temperature and a relative humidity of max. 80 %. The applicability of this International Standard to
larger thicknesses can be limited by mechanical properties such as yield strength and formability of the
specimen material. The thickness range for advanced high strength steels (AHSS) is generally below 3,0 mm.
Greater thicknesses apply for aluminium alloys, for example.
Depending on the specimen used, it is possible from the results to evaluate the fatigue behaviour of:
a) spot welds subjected to defined uniform load distribution;
b) spot welds subjected to defined non-uniform load distribution;
c) spot welds subjected to different defined combinations of shear-, peel-and normal-tension loads; and
d) the tested specimen.
Multi-spot specimens with which the different load distributions can be realized are:
1) defined uniform load distribution:
i) H-specimens for shear- and peel-loading, (welds subjected to uniform shear or peel loading
transverse to the joint line),
ii) single- and double-hat specimens subjected to four-point bending (spot welds subjected to
uniform shear load in the direction of the row of welds),
iii) double-disc specimen under torsion (spot welds subjected to uniform shear load),
iv) double-disc specimen under tensile load (spot welds subjected to uniform peel load),
v) double-disc specimen under combined torsion and tensile loading,
vi) flat multi-spot specimens using defined grips;
2) defined non-uniform load distribution:
i) H-specimens with modified grips,
ii) modified H-specimens with standard grips,
iii) modified H-specimens with modified grips,
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ISO 18592:2009(E)
iv) flat multi-spot specimens with modified grips,
v) modified multi-spot flat specimens with standard grips,
vi) modified multi-spot flat specimens with modified grips;
3) defined combinations of shear-, peel- and normal-tension loads:
i) the KS-2 specimen,
ii) the double disc specimen;
4) spot welds subjected to undefined non-uniform load distribution — single-hat, double-hat and similar
closed hollow sections under torsion, 3-point bending and/or internal pressure.
The specimens and tests referred to under 4) are not dealt with further in this International Standard, because
the results obtained with these specimens are specific to the components as tested and may not be
generalized or used for deriving data pertaining to the load-carrying behaviour of the welds. Results obtained
with such tests are suitable for comparing the mechanical properties of the tested components with those of
similar components tested in the same manner. These tests are, however, not suitable for evaluating or
comparing the load-carrying properties of the welds.
The test results of the fatigue tests obtained with component like specimens are suitable for deriving criteria
for the selection of materials and thickness combinations for structures and components subjected to cyclic
loading. This statement is especially relevant for results obtained with specimens with boundary conditions, i.e.
a local stiffness similar to that of the structure in question. The results of a fatigue test are suitable for direct
application to design only when the loading conditions in service and the stiffness of the design in the joint
area are identical.
NOTE Specimens are modified to take into consideration constraints or specific demands posed by design, e.g.
smaller than standard overlap, smaller or larger than standard nugget diameter, and specific load distribution, thus
enhancing the value of the test results for the design engineer.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 14273, Specimen dimensions and procedure for shear testing resistance spot, seam and embossed
projection welds
ISO 14324, Resistance spot welding — Destructive tests of welds — Method for the fatigue testing of spot
welded joints
ISO 15609-5:2004, Specification and qualification of welding procedures for metallic materials — Welding
procedure specification — Part 5: Resistance welding
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ISO 18592:2009(E)
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 14324 and the following apply.
3.1
repeated load
F
load varying simply and periodically between constant maximum and minimum values
NOTE Adapted from ISO 14324:2003, 3.12.
3.2
maximum load
F
max
highest algebraic value of the repeated load
NOTE Adapted from ISO 14324:2003, 3.9.
3.3
minimum load
F
min
lowest algebraic value of the repeated load
NOTE Adapted from ISO 14324:2003, 3.11.
3.4
load range
∆F
difference between maximum and minimum loads
∆F = F − F
max min
NOTE Adapted from ISO 14324:2003, 3.8.
3.5
load amplitude
F
a
half of the load range
F = 0,5∆F
a
NOTE Adapted from ISO 14324:2003, 3.6.
3.6
mean load
F
m
average of maximum and minimum loads
F = 0,5(F + F )
m max min
NOTE Adapted from ISO 14324:2003, 3.10.
3.7
load ratio
R
minimum load divided by the maximum load
F
min
R =
F
max
NOTE Adapted from ISO 14324:2003, 3.7.
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ISO 18592:2009(E)
3.8
fatigue life
number of cycles to failure
N
f
number of cycles which can be applied at a specified repeated load before failure occurs
NOTE Adapted from ISO 14324:2003, 3.3.
3.9
fatigue endurance
N
number of cycles at which it has been agreed to stop the test even if failure does not occur
3.10
F-N curve
curve obtained by plotting the load amplitude (or load range, or maximum load) as ordinate and the fatigue life
(or fatigue endurance if the test is terminated before failure) as abscissa, also called the load-amplitude-
number of load cycles curve.
NOTE 1 It is normal practice to use logarithmic axes.
NOTE 2 Adapted from ISO 14324:2003, 3.5.
3.11
S-N curve
curve drawn by plotting the stress amplitude (or stress range, or maximum stress) as ordinate and the fatigue
life (or fatigue endurance if the test is terminated before failure) as abscissa, also called the stress-amplitude-
number of load cycles curve.
NOTE The S-N curve is generally not suitable for spot welded specimens.
3.12
endurance limit
maximum load amplitude F at which a test specimen can endure a specified number of load cycles without
max
failing
NOTE Adapted from ISO 14324:2003, 3.2.
3.13
fatigue limit at probability p
maximum load (range, amplitude or maximum value) at which the test specimen can endure an infinite
number of load cycles with the probability p
NOTE Usually, the probability selected is 50 %.
3.14
endurance limit at probability p
load (range, amplitude or maximum value) at which the test specimen can endure a specified number of load
cycles with the p probability without failing
NOTE The probability usually selected is 50 %.
3.15
displacement
∆L
change in the length of a specimen due to the application of a load
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ISO 18592:2009(E)
3.16
stiffness
c
load F divided by the corresponding displacement L, i.e.
FF−
max min
c =
∆L
3.17
initial stiffness
c
0
stiffness at start of the test, i.e.
FF−
max min
c =
0
∆L
0
4 Symbols and abbreviated terms
a overlap
b test coupon width
b internal width of test coupon
i
b width of side plate
s
c stiffness
c initial stiffness
0
d diameter of central hole
c
d diameter of pitch circle
e
e pitch
F load, repeated load
F load amplitude
a
F mean load
m
F maximum load
max
F minimum load
min
F peel load
p
F maximum peel load
p,max
F minimum peel load
p,min
F peel load transverse to the joint line
pt
F shear load
s
F maximum shear load
s,max
F minimum shear load
s,min
F shear load parallel to or in the axis of the joint line
sp
F shear load transverse to the joint line
st
g bar distance
h outer height of hat-section
h coupon height
i
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ISO 18592:2009(E)
h outer height
o
h total height of H-specimen
H
h height of side plate or side member
s
h height of L member
L
h height of U member
U
l distance between grip and overlap
a
l length of clamped area
c
l edge distance
e
l specimen length between clamps
f
l specimen length between grips
g
l total length of specimen
S
l length of test coupon
t
l distance from wall
w
L displacement
L maximum displacement
max
L minimum displacement
min
N number of load cycles
p probability
r bend radius for sheet thickness t
1 1
r bend radius for sheet thickness t
2 2
R load ratio
t time
t ; t sheet thicknesses
1 2
σ peel stress
p
σ peel stress transverse to the joint line
pt
σ shear stress
s
σ shear stress parallel to or in the axis of the joint line
sp
σ shear stress transverse to the joint line
st
∆L displacement (L − L )
max min
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ISO 18592:2009(E)
5 Specimens
5.1 General
The specimens are designed to simulate, for joints in thin-walled structures, three basic types of loadings in
their primary forms, i.e. shear load transverse to the joint line, shear load parallel to or in the axis of the joint
line, and peel load (see Figure 1).
a) Shear load transverse to the joint line and b) Peel or one-sided cross-tension load
shear load in the axis of the joint line
NOTE See Clause 4.
Figure 1 — The three basic load cases for joints (Reference [9])
NOTE 1 For true-to-life thin-walled structures, it can generally be assumed that joints are never subjected to any of the
types of stresses listed in the first paragraph either singly or in a pure form. For lap joints, at least one type of shear stress
and, due to the local deformation of the sheets caused by it, peel stress are present. Even if the primary stress in a lap
joint is pure shear, a peel stress component is generated, whose absolute value depends on the magnitude of the
deformation caused by the shear stress in the joint. This deformation is a function of the bending moment, which depends
on the sheet thicknesses involved, the magnitudes of the forces acting and the local stiffness. The stiffness itself is a
function of the sheet thicknesses, the Young modulus of the material(s), the flange width, the overlap, the location of the
joint on the flange, the bending radii, etc. (References [8] to [11]).
NOTE 2 The specimens have been designed to permit the use of different joining methods, e.g. spot welding, self-
piercing riveting, clinching, friction stir spot welding, laser welding and GMA welding, and thus allow a comparison of the
load-carrying properties of joints made with different methods.
NOTE 3 For single- and double-hat specimens subjected to torsion and 3-point bending loads, the joints themselves
are subjected to complex loads, whereby the ratios of the load types and the load distribution are non-uniform and
undefined. Furthermore, the ratios of the three basic types of loads listed in the first paragraph of this subclause are a
function of the load amplitude, the clamping conditions, and the sheet material- and thickness combinations.
The quality, value and usefulness of the results of fatigue tests depend to a large extent on the degree of care
taken in the fabrication of the specimens, their testing, the acquisition and evaluation of test data, and the
comprehensiveness of the documentation.
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ISO 18592:2009(E)
The documentation should contain the following information.
a) Material(s)
⎯ Material specification, type and thickness of coating(s), sheet thickness, surface condition and
mechanical properties should be noted.
b) Coupons
⎯ The coupons should, if possible, be taken from the same material lot.
⎯ The rolling direction shall be identical for all coupons and documented.
⎯ The required tolerances shall be adhered to.
⎯ Unintentional deformation of the coupons and damage to the surfaces is to be avoided.
c) Welding
⎯ Suitable jigs should be used to ensure accurate alignment of the coupons and location of the welds.
⎯ The welding parameters and the equipment used shall be documented.
d) Documentation
⎯ The relevant standards shall be referenced.
⎯ Any deviation from the referenced standards shall be documented.
The specimens shall be modified for the different joining methods, such that the joints are able to perform
under optimum boundary conditions, e.g. the flange width for laser welds can be reduced considerably as
compared to the length required for resistance spot welds. Similarly, because of the smaller space
requirements, the location of rectangular clinch joints on the flange can be much closer to the radius than is
the case with resistance spot welds unless eccentric welding electrodes are being used.
5.2 Selection of suitable specimens
The selection of a suitable specimen for the fatigue tests depends on the planned usage of the test results. A
basic requirement of the specimen is that it should allow the relevant load type and load ratio to be simulated.
If the results are to be used for design purposes, then it is important to employ specimens with which a similar
type of load distribution can be realized. Further, the stiffness of the specimen in the joint area should be
similar to that of the component under consideration.
Besides considering the primary loading condition of the welds, bear in mind the local stiffness of the joint
area in the component in question. The fatigue life of welds is influenced decisively by the peel load and not
by the shear load. For example, if welds could be subjected to identical amplitudes of shear and peel loads,
4
their lives would differ by a factor of ~10 . However, as can be seen in Figure 2, spot welds under shear load
would never fail under a load at which identical welds have a life of about 1 000 cycles. As stated above, the
magnitude of the peel component depends on the shear load and the local stiffness of the specimen.
Especially in the case of the single spot specimen, Figure 4, the local stiffness is much lower than is usual in
real structures. Therefore the peel/shear ratio is comparatively large, resulting in a significantly shorter fatigue
life as compared to identical welds tested on H-specimens, for example. In addition, some materials are
particularly sensitive to peel stress in the as-welded condition, so that results obtained with specimens with a
low stiffness can be misleading with regard to the behaviour of such welds in structures.
The H-specimens allow the investigation of almost all parameters including different stress ratios and stress
distributions. They require special grips for testing and their manufacture is relatively complicated. However,
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ISO 18592:2009(E)
under uniform loading, it is possible with these specimens to obtain results with a high significance with 5 to
7 specimens.
When selecting a specimen some of the main considerations should be:
⎯ the simulation of the type of loading and load ratio in the component under consideration;
⎯ simulation of design parameters such as stiffness, pitch, edge and flange distance;
⎯ simulation of the stress distribution in the component;
⎯ effort required for manufacturing and testing;
⎯ number of specimens required to obtain statistically significant results.
Note that results obtained with specimens with a low stiffness generally bias spot welded joints, especially in
the case of high strength steels.
The statistical significance of test results is influenced by their scatter. The larger the number of joints tested
under uniform loading in a single specimen, the smaller is the scatter. Therefore, in order to obtain results with
the same degree of significance, the number of specimens to be tested with two spot welds, for example, is
five times greater than H- or double disc specimens with 10 spot welds. Furthermore, the stiffness of flat
specimens is appreciably lower than that of components, so that the results obtained with these specimens
are generally misleading. In addition, some specimens cannot be subjected to compressive loads or negative
load ratios R, e.g. two flat specimens with one or two welds.
NOTE See Clause 4.
Figure 2 — Wöhler curves of spot-welded H-specimens of 1 mm DC 04 steel sheet subjected to shear
and peel loading, load ratio R = 0,1 (Reference [9])
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ISO 18592:2009(E)
5.3 Specimen fabrication
5.3.1 Sheet material
The sheet material for the coupons may be in the sheared condition, but all burrs should be removed. Care
should be taken to ensure that the coupons are not bent or distorted. Specimens made using such coupons
may have an adverse effect on the test results and increase scatter. The dimensions of the coupons for the
different specimens are given in the relevant tables.
If the design under consideration uses extrusions or cast material, then the specimens should also be made
using extruded profiles or cast material, e.g. aluminium and magnesium alloys as required by the design.
The bending of the components of the specimens shall be performed in a press brake to the required bending
angle and radius, R = 2t. If the material employed does not allow this radius, it may be bent to R . Since
min max
the accuracy of the specimens depends on the dimensions of the coupons, ensure that the tolerances given in
the tables are strictly adhered to.
The components of the double disc specimen require the use of drawing- or deep-drawing tools for their
fabrication.
5.3.2 Bending a
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 18592
Première édition
2009-12-15
Soudage par résistance — Essais
destructifs des soudures — Méthode
d'essai de fatigue des échantillons
soudés par points multiples
Resistance welding — Destructive testing of welds — Method for the
fatigue testing of multi-spot-welded specimens
Numéro de référence
ISO 18592:2009(F)
©
ISO 2009
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ISO 18592:2009(F)
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction.v
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.2
3 Termes et définitions .3
4 Symboles et abréviations .5
5 Éprouvettes.7
5.1 Généralités .7
5.2 Choix des éprouvettes appropriées .8
5.3 Fabrication des éprouvettes .10
5.4 Géométrie des éprouvettes .12
6 Exigences relatives à la machine d'essai .22
7 Mors et alignement des éprouvettes.23
7.1 Généralités .23
7.2 Efforts de cisaillement et d'arrachement .24
8 Mode opératoire.25
8.1 Généralités .25
8.2 Montage des éprouvettes de type H.25
8.3 Mode opératoire de serrage des éprouvettes de type H .25
8.4 Essai de fatigue .25
8.5 Fin de l'essai .26
9 Rapport d'essai.28
9.1 Informations de base .28
9.2 Présentation des résultats d'essai de fatigue .29
Annexe A (informative) Éprouvette d'étalonnage destinée à vérifier la répartition des efforts sur
les éprouvettes de type H.31
Annexe B (normative) Mors hydrauliques destinés à l'essai de fatigue des éprouvettes de type H.32
Annexe C (informative) Mors destinés à l'essai de fatigue des éprouvettes de type H .33
Annexe D (informative) Organigramme — Acquisition des données.34
Bibliographie.37
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ISO 18592:2009(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 18592 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 44, Soudage et techniques connexes,
sous-comité SC 6, Soudage par résistance et assemblage mécanique allié.
Il convient d'adresser les demandes d'interprétation officielles de l'un quelconque des aspects de la présente
Norme internationale au secrétariat de l'ISO/TC 44/SC 6 via votre organisme national de normalisation. La
liste exhaustive de ces organismes peut être trouvée à l'adresse www.iso.org.
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ISO 18592:2009(F)
Introduction
La présente Norme internationale a été préparée de cette façon car les ingénieurs soudeurs (et la plupart des
ingénieurs d'études) ne connaissent pas bien les essais de fatigue et l'influences des facteurs tels que le type
d'effort (par exemple effort de cisaillement ou effort d'arrachement) et le critère de défaillance.
Les essais permettent de déterminer l'existence de propriétés spécifiques et leur évaluation qualitative et
quantitative. Les essais de fatigue servent en général à étudier le comportement des structures et des
composants soumis à des efforts cycliques. Dans le cas de composants soudés, les essais de fatigue servent
à déterminer l'influence de différents paramètres tels que les modes d'assemblage, le pas, les épaisseurs et
les combinaisons de matériaux, le type d'effort (par exemple effort de cisaillement ou effort d'arrachement), le
recouvrement, la position de la soudure sur la tôle, la distance par rapport au bord, la condition de
chargement (par exemple quasi-statique, cyclique, rapport d'effort R), et la combinaison de l'environnement/la
corrosion sur le comportement en fatigue (durée de vie) des soudures par points et/ou des éprouvettes
soumises à différents types d'effort. Il convient que les essais de fatigue, si leurs résultats sont à utiliser à des
fins de conception, prennent en considération, dans toute la mesure du possible, ces conditions aux limites de
la configuration dans un environnement réel. Cela s'applique aux types d'effort, aux amplitudes d'effort et aux
rapports d'effort, ainsi qu'aux répartitions des efforts et aux critères de rupture (Référence [7]).
Il convient que l'éprouvette choisie pour l'essai de fatigue permette de simuler, le mieux possible, les efforts et
les conditions aux limites de la configuration de la pièce réelle. Par ailleurs, il convient que le critère de
défaillance utilisé soit conforme à l'application concernée. Bien que le type d'effort primaire appliqué soit
identique avec certaines éprouvettes, par exemple effort de cisaillement exercé sur des éprouvettes planes à
points multiples, éprouvettes de type H soumises à un cisaillement, éprouvettes KS-2, et éprouvettes en
double disque, les résultats des essais de fatigue seront très différents du fait des types d'efforts secondaires
qui résultent des différents degrés de déformation locale dus aux différences avérées de la rigidité locale
observée au niveau de la zone de la soudure. La déformation locale, responsable de l'amplitude du
composant d'arrachement par exemple, est fonction de la rigidité locale et augmente proportionnellement à la
réduction de la rigidité.
La présente Norme internationale offre un cadre dans lequel les différentes éprouvettes, décrites dans le texte,
peuvent être modifiées de manière à pouvoir prendre en considération les spécifications de conception et les
contraintes de production, par exemple largeur et recouvrement des tôles, taille du noyau de soudure, pas,
rayon de courbure, et soudures imparfaites. Cela permet de contribuer dans une large mesure au
renforcement de l'importance des résultats.
Il est à considérer que si les soudures peuvent être soumises à des amplitudes d'effort de cisaillement et
4
d'arrachement identiques, leur durée de vie varierait au moins d'un facteur approché de 10 (Références [8]
à [11]). Cela explique la nécessité d'utiliser des éprouvettes différentes qui permettent la simulation de
différents types d'effort.
Les essais de conformité effectués sur des composants réels permettent de vérifier les calculs de conception
et sont nécessaires pour la qualification des structures. Il est donc nécessaire de limiter leur nombre à un
strict minimum.
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NORME INTERNATIONALE ISO 18592:2009(F)
Soudage par résistance — Essais destructifs des soudures —
Méthode d'essai de fatigue des échantillons soudés par points
multiples
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale spécifie les éprouvettes et les procédures d'essai applicables aux essais de
fatigue à amplitude d'effort constante, ces essais étant effectués sur des éprouvettes soudées par points
multiples et à axes multiples, dans la gamme d'épaisseurs comprise entre 0,5 mm et 5 mm à la température
ambiante et à une humidité relative de 80 % max. L'applicabilité de la présente Norme internationale à des
épaisseurs plus importantes peut être limitée par les propriétés mécaniques telles que la limite élastique et la
formabilité du matériau constitutif des éprouvettes. La gamme d'épaisseurs pour les aciers à haute résistance
mécanique (AHSS) est généralement inférieure à 3,0 mm. Des épaisseurs plus grandes, pour par exemple
les alliages d'aluminium, sont admises.
Selon l'éprouvette utilisée, les résultats permettent d'évaluer le comportement à la fatigue:
a) des soudures par points soumises à une répartition définie uniforme des efforts;
b) des soudures par points soumises à une répartition définie non uniforme des efforts;
c) des soudures par points soumises à différentes combinaisons définies d'efforts de cisaillement,
d'arrachement et de traction normale; et
d) de l'éprouvette soumise à essai.
Les éprouvettes soudées par points multiples avec lesquelles les différentes répartitions des efforts peuvent
être effectuées sont les suivantes:
1) répartition des efforts uniforme définie:
i) éprouvettes de type H pour les efforts de cisaillement et d'arrachement (soudures soumises à un
effort uniforme de cisaillement ou d'arrachement transversalement à la ligne de joint);
ii) éprouvettes en oméga simple ou double soumises à un essai de flexion quatre points (soudures par
points soumises à un effort de cisaillement uniforme dans le sens des lignes de soudure);
iii) éprouvettes en double disque soumises à une torsion (soudures par points soumises à un effort de
cisaillement uniforme);
iv) éprouvettes en double disque soumises à un effort de traction (soudures par points soumises à un
effort d'arrachement uniforme);
v) éprouvettes en double disque soumises à une torsion et un effort de traction combinés;
vi) éprouvettes planes de soudage par points multiples utilisant des mors définis;
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2) répartition des efforts non uniforme définie:
i) éprouvettes de type H avec mors de fixation modifiés;
ii) éprouvettes de type H modifiées avec mors de fixation normaux;
iii) éprouvettes de type H modifiées avec mors de fixation modifiés;
iv) éprouvettes planes de soudures par points multiples avec mors de fixation modifiés;
v) éprouvettes planes de soudures par points multiples modifiées avec mors de fixation normaux;
vi) éprouvettes planes de soudures par points multiples modifiées avec mors de fixation modifiés;
3) combinaisons définies d'efforts de cisaillement, d'arrachement et de traction normale:
i) éprouvettes KS-2;
ii) éprouvette en double disque;
4) soudures par points soumises à une répartition non uniforme non définie des efforts: éprouvettes en
oméga simple ou double et profilés creux fermés similaires soumis à un essai de torsion, à un essai de
flexion trois points et/ou à un essai de pression interne.
Les éprouvettes et essais auxquels il est fait référence en 4) ne sont pas traitées davantage dans la présente
Norme internationale, car les résultats obtenus avec ces éprouvettes sont spécifiques aux composants
soumis à essai et ne peuvent pas être généralisés ou utilisés pour calculer la capacité de transmission d'effort
des assemblages soudés. Les résultats obtenus avec ces essais conviennent pour comparer les propriétés
mécaniques des composants soumis à essai avec les propriétés mécaniques de composants similaires
soumis aux mêmes essais. Ces essais, toutefois, ne conviennent pas pour évaluer ou comparer les capacités
d'efforts des soudures.
Les résultats des essais de fatigue obtenus avec les éprouvettes semblables aux composants conviennent
pour déduire des critères de sélection des matériaux et des combinaisons d'épaisseur pour les structures et
les composants soumis à des efforts cycliques. Cette indication est particulièrement pertinente pour les
résultats obtenus avec des éprouvettes dans des conditions aux limites, c'est-à-dire dont la rigidité locale est
similaire à celle de la structure concernée. Les résultats d'un essai de fatigue conviennent à une application
directe à la conception uniquement lorsque les conditions d'effort en service et la rigidité de la conception
dans la zone d'assemblage sont identiques.
NOTE Modifier les éprouvettes afin de prendre en considération les contraintes ou les exigences spécifiques
imposées par la conception, par exemple dimension du recouvrement inférieure à la normale, dimension inférieure ou plus
importante par rapport au diamètre normal du noyau, et répartition spécifique des efforts, ce qui contribue ainsi à
l'amélioration de la valeur des résultats d'essai pour l'ingénieur d'études.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document auquel il est fait référence (y compris les amendements) s'applique.
ISO 14273, Dimensions des éprouvettes et mode opératoire pour l'essai de cisaillement des soudures par
résistance par points, à la molette et par bossages
ISO 14324, Soudage par résistance — Essais destructifs des soudures — Méthode pour les essais de fatigue
sur assemblages soudés par points
ISO 15609-5:2004, Descriptif et qualification d'un mode opératoire de soudage pour les matériaux
métalliques — Descriptif d'un mode opératoire de soudage — Partie 5: Soudage par résistance
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ISO 18592:2009(F)
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 14324 ainsi que les
suivants s'appliquent.
3.1
effort répété
F
effort variant de manière simple et périodique entre des valeurs maximale et minimale constantes
NOTE Adapté de l'ISO 14324:2003, 3.12.
3.2
effort maximal
F
max
valeur algébrique la plus élevée de l'effort répété
NOTE Adapté de l'ISO 14324:2003, 3.9.
3.3
effort minimal
F
min
valeur algébrique la plus basse de l'effort répété
NOTE Adapté de l'ISO 14324:2003, 3.11.
3.4
étendue d'effort
∆F
différence entre les efforts maximal et minimal
∆F = F − F
max min
NOTE Adapté de l'ISO 14324:2003, 3.8.
3.5
amplitude d'effort
F
a
demi-étendue d'effort
F = 0,5∆F
a
NOTE Adapté de l'ISO 14324:2003, 3.6.
3.6
effort moyen
F
m
moyenne des efforts maximal et minimal
F = 0,5(F + F )
m max min
NOTE Adapté de l'ISO 14324:2003, 3.10.
3.7
rapport d'effort
R
rapport de l'effort minimal à l'effort maximal
F
min
R =
F
max
NOTE Adapté de l'ISO 14324:2003, 3.7.
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ISO 18592:2009(F)
3.8
durée de vie en fatigue
nombre de cycles à la rupture
N
f
nombre de cycles d'effort pouvant être appliqués à un niveau d'effort répété spécifié avant rupture
NOTE Adapté de l'ISO 14324:2003, 3.3.
3.9
endurance en fatigue
N
nombre de cycles auquel il a été convenu d'arrêter l'essai même en l'absence de rupture
3.10
courbe F-N
courbe obtenue en portant l'amplitude d'effort (ou l'étendue d'effort ou l'effort maximal) en ordonnée et la
durée de vie en fatigue (ou l'endurance en fatigue si l'essai est arrêté avant rupture) en abscisse; également
appelée courbe amplitude d'effort - nombre de cycles d'effort
NOTE 1 Dans la pratique, les échelles logarithmiques sont utilisées.
NOTE 2 Adapté de l'ISO 14324:2003, 3.5.
3.11
courbe S-N
courbe tracée en portant l'amplitude de contrainte (ou l'étendue de contrainte ou la contrainte maximale) en
ordonnée et la durée de vie en fatigue (ou l'endurance à la fatigue si l'essai est arrêté avant rupture) en
abscisse; également appelée courbe amplitude de contrainte - nombre de cycles d'effort
NOTE La courbe S-N n'est généralement pas appropriée aux éprouvettes soudées par points.
3.12
limite d'endurance
valeur maximale de l'amplitude d'effort, F , pour laquelle une éprouvette peut subir un nombre défini de
max
cycles d'effort sans se rompre
NOTE Adapté de l'ISO 14324:2003, 3.2.
3.13
limite en fatigue à la probabilité p
effort maximal (étendue, amplitude ou valeur maximale) pour lequel l'éprouvette peut subir un nombre infini
de cycles d'effort avec la probabilité p
NOTE La probabilité retenue est habituellement égale à 50 %.
3.14
limite d'endurance à la probabilité p
effort (étendue, amplitude ou valeur maximale) pour lequel l'éprouvette peut subir un nombre défini de cycles
d'effort avec la probabilité p sans se rompre
NOTE La probabilité habituellement retenue est égale à 50 %.
3.15
déplacement
∆L
modification de la longueur d'une éprouvette due à l'application d'un effort
3.16
rigidité
c
effort F divisé par le déplacement correspondant L, c'est-à-dire
FF−
max min
c =
∆L
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3.17
rigidité initiale
c
0
rigidité au début de l'essai, c'est-à-dire
FF−
max min
c =
0
∆L
0
4 Symboles et abréviations
a recouvrement
b largeur du coupon d'essai
b largeur intérieure du coupon d'essai
i
b largeur de la plaque latérale
s
c rigidité
c rigidité initiale
0
d diamètre de l'alésage central
c
d diamètre du cercle primitif
e
e pas
F effort, effort répété
F amplitude d'effort
a
F effort moyen
m
F effort maximal
max
F effort minimal
min
F effort d'arrachement
p
F effort d'arrachement maximal
p,max
F effort d'arrachement minimal
p,min
F effort d'arrachement transversal à la ligne de joint
pt
F effort de cisaillement
s
F effort de cisaillement maximal
s,max
F effort de cisaillement minimal
s,min
F effort de cisaillement parallèle à la ligne de joint ou à l'axe de la ligne de joint
sp
F effort de cisaillement transversal à la ligne de joint
st
g distance par rapport à la barre
h hauteur extérieur des profilés en oméga
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h hauteur du coupon
i
h hauteur extérieure
o
h hauteur totale des éprouvettes de type H
H
h hauteur de la plaque latérale ou de la partie latérale
s
h hauteur de la partie latérale de type L
L
h hauteur de la partie de type U
U
l distance entre mors et recouvrement
a
l longueur de la surface bridée
c
l distance par rapport au bord
e
l longueur de l'éprouvette entre mâchoires
f
l longueur de l'éprouvette entre mors
g
l longueur totale de l'éprouvette
S
l longueur du coupon d'essai
t
l distance par rapport à la paroi
w
L déplacement
L déplacement maximal
max
L déplacement minimal
min
N nombre de cycles d'effort
p probabilité
r rayon de pliage pour l'épaisseur de tôle t
1 1
r rayon de pliage pour l'épaisseur de tôle t
2 2
R rapport d'effort
t temps
t ; t épaisseur de tôle
1 2
σ contrainte d'arrachement
p
σ contrainte d'arrachement transversale à la ligne de joint
pt
σ contrainte de cisaillement
s
σ contrainte de cisaillement parallèle à la ligne de joint ou à l'axe de la ligne de joint
sp
σ contrainte de cisaillement transversale à la ligne de joint
st
∆L déplacement (L − L )
max min
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5 Éprouvettes
5.1 Généralités
Les éprouvettes sont conçues pour simuler, dans le cas des assemblages des structures à parois minces,
trois types d'efforts de base sous leurs formes primaires, c'est-à-dire effort de cisaillement transversal à la
ligne de joint, effort de cisaillement parallèle à la ligne de joint ou à l'axe de la ligne de joint, et effort
d'arrachement (voir Figure 1).
a) Effort de cisaillement transversal à la ligne de joint b) Effort d'arrachement
et effort de cisaillement parallèle ou effort de traction unilatéral en croix
à l'axe de la ligne de joint
NOTE Voir Article 4.
Figure 1 — Les trois cas d'efforts de base applicables aux assemblages (Référence[9])
NOTE 1 Dans le cas de structures réelles à parois minces, il peut généralement être supposé que les assemblages ne
sont jamais soumis à l'un des types de contraintes mentionnés ci-avant, soit sous forme simple, soit sous forme pure.
Dans le cas des assemblages à recouvrement, il existe au moins un type de contrainte de cisaillement et, en raison de la
déformation locale des tôles due à ladite contrainte, une contrainte d'arrachement. Même si la contrainte primaire exercée
sur un assemblage à recouvrement est une contrainte de cisaillement pur, une composante de contrainte d'arrachement
est générée, dont la valeur absolue dépend de l'importance de la déformation due à la contrainte de cisaillement exercée
sur l'assemblage. Cette déformation est fonction du moment de flexion, qui dépend des épaisseurs de tôles impliquées,
de l'importance des forces agissantes et de la rigidité locale. La rigidité elle-même est fonction des épaisseurs de la tôle,
des modules de Young du (des) matériau(x), de la largeur de la tôle, du recouvrement, de la position de l'assemblage sur
la tôle, des rayons de cintrage, etc. (Références [8] à [11]).
NOTE 2 Les éprouvettes ont été conçues pour pouvoir utiliser différentes méthodes d'assemblage, par exemple le
soudage par points, le rivetage autoperforant, le clinchage, le soudage par friction-malaxage par points, le soudage au
laser, et le soudage à l'arc sous protection gazeuse, et permettre ainsi une comparaison des capacités d'effort des
assemblages à l'aide de différentes méthodes.
NOTE 3 Dans le cas des éprouvettes en oméga simple ou double soumises aux efforts de torsion et de pliage 3 points,
les assemblages eux-mêmes sont soumis à des efforts complexes, avec lesquels les rapports des types d'effort et la
répartition de ces efforts sont non uniformes et non définis. Par ailleurs, les rapports des trois types d'effort de base
er
énumérés au 1 alinéa du présent paragraphe sont fonction de l'amplitude d'effort, des conditions de fixation, et des
combinaisons de matériaux et d'épaisseurs de tôles.
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La qualité, la valeur et l'utilité des résultats des essais de fatigue dépendent, dans une large mesure, du degré
d'attention porté à la fabrication des éprouvettes, de leur vérification par des essais, de l'acquisition et de
l'évaluation des données d'essai, ainsi que de l'exhaustivité des documents.
Il convient que les documents contiennent les informations suivantes:
a) Matériau(x)
⎯ Les spécifications des matériaux, le type et l'épaisseur du (des) revêtement(s), l'épaisseur des tôles,
l'état de surface et les propriétés mécaniques.
b) Coupons
⎯ Il convient, si possible, de prélever les coupons sur le même lot de matériaux.
⎯ Le sens de laminage doit être identique pour tous les coupons et faire l'objet d'une documentation.
⎯ Les tolérances requises doivent être agréées.
⎯ Toute déformation intempestive des coupons et tout endommagement des surfaces doivent être
évités.
c) Soudage
⎯ Il convient d'employer des montages appropriés permettant de garantir un alignement précis des
coupons et une position précise des soudures.
⎯ Les paramètres de soudage et les équipements utilisés doivent faire l'objet d'une documentation.
d) Documentation
⎯ Les normes pertinentes doivent être référencées.
⎯ Tout écart par rapport aux normes référencées doit faire l'objet d'une documentation.
Les éprouvettes doivent être modifiées pour les différentes méthodes d'assemblage, de sorte que les
assemblages puissent être utilisés dans des conditions aux limites optimales, par exemple la largeur des tôles
pour les soudures au laser peut être réduite de manière considérable par rapport à la longueur requise pour
les soudures par résistance par points. De façon similaire, du fait des exigences d'encombrement moindres,
la position des assemblages clinchés rectangulaires sur la tôle peut être bien plus proche du rayon que dans
le cas des soudures par résistance par points, à moins que des électrodes de soudage excentrées soient
utilisées.
5.2 Choix des éprouvettes appropriées
Le choix d'une éprouvette appropriée pour les essais de fatigue dépend de l'utilisation prévue des résultats
d'essai. Une exigence fondamentale relative à l'éprouvette est de convenir qu'elle permette la simulation du
type d'effort et du rapport d'effort pertinents. Si les résultats sont à utiliser à des fins de conception, il est alors
important d'employer des éprouvettes avec lesquelles un type similaire de répartition des efforts peut être
obtenu. De plus, il convient que la rigidité de l'éprouvette dans la zone d'assemblage soit similaire à celle du
composant considéré.
Outre le
...
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