ISO/TS 20273:2017
(Main)Guidelines on weld quality in relationship to fatigue strength
Guidelines on weld quality in relationship to fatigue strength
ISO/TS 20273:2017 provides guidance for setting appropriate weld quality requirements in relation to fatigue. ISO/TS 20273:2017 is applicable to fusion (arc and/or beam welding) welded steel plate-type structures having a thickness of >3 mm, which are subjected to cyclic loading. Due to lack of experimental data for aluminium welds and ultra-high strength steels, the fatigue strength (or S-N) curves apply only to structural steel up to a maximum specified yield strength of 960 MPa. The acceptance criteria in this document may be applied to higher strength steels, stainless steels and certain concepts to 5000 and 6000 series of aluminium alloys which are commonly used in welded structures. In the absence of relevant published data, it is recommended that this be quantified by special testing.
Lignes directrices sur la qualité de la soudure en rapport à la résistance à la fatigue
L'ISO/TS 20273:2017 fournit des préconisations pour établir des exigences appropriées de qualité de soudure par rapport à la fatigue. L'ISO/TS 20273:2017 est applicable aux structures de type plaques d'acier soudées par fusion (à l'arc et/ou par faisceau) d'une épaisseur de >3 mm, qui sont soumises au chargement cyclique. Étant donné le manque de données expérimentales pour les soudures sur aluminium et aciers à très haute résistance, les courbes de résistance à la fatigue (ou S-N) ne s'appliquent qu'à l'acier de construction jusqu'à une limite maximale d'élasticité spécifiée de 960 MPa. Les critères d'acceptation du présent document peuvent être appliqués à des aciers de résistance plus élevée, des aciers inoxydables, et certains concepts aux séries 5000 et 6000 d'alliages aluminium couramment utilisés dans les structures soudées. En l'absence de données publiées significatives, une quantification par essais spéciaux est recommandée.
General Information
Relations
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Standards Content (Sample)
TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 20273
First edition
2017-08
Guidelines on weld quality in
relationship to fatigue strength
Lignes directrices sur la qualité de la soudure en rapport à la
résistance à la fatigue
Reference number
ISO/TS 20273:2017(E)
©
ISO 2017
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ISO/TS 20273:2017(E)
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ISO/TS 20273:2017(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and abbreviated terms . 2
5 Background . 3
5.1 General . 3
5.2 Design for purpose . 3
5.3 Fatigue assessment procedures . 5
5.4 Classification of weld imperfections and features . 6
6 Weld quality levels for fatigue loaded structures . 7
6.1 Assessment of weld quality . 7
6.2 Requirements for a production standard weld quality . 8
6.2.1 General. 8
6.2.2 Effect of toe geometry . 8
6.2.3 Effect of misalignment .10
6.2.4 Effect of undercut .12
6.2.5 Effect of cold laps .13
6.2.6 Effect of inclusions and porosity .14
6.2.7 Effect of cracks and crack-like imperfections.15
6.3 Design of Experiments (DoE) using simulation .19
6.3.1 General.19
6.3.2 Parameters using the effective notch method on butt welds .20
6.3.3 Parameters using the effective notch method on fillet welds .21
6.4 Fatigue design of high quality welds .23
6.4.1 General.23
6.4.2 Effect of improvement methods .23
6.4.3 Improvement of shape of weld toe .24
6.4.4 Improvement by compressive residual stress .24
7 Root side requirements .24
7.1 General .24
7.2 Joints with weld root as weakest point .24
7.3 Designation for penetration .25
7.4 Design of Experiments in load carrying joints .26
7.5 Throat size vs penetration .28
8 Fitness for service .30
8.1 General .30
8.2 Fatigue assessment by crack propagation .32
8.3 Material parameters for crack propagation .32
8.4 Formulae for stress intensity factors .33
8.4.1 General.33
8.4.2 Standard solutions .33
8.4.3 Solutions for magnification function, M .
k 35
8.4.4 Examples of a fracture mechanics assessment .37
Bibliography .43
© ISO 2017 – All rights reserved iii
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ISO/TS 20273:2017(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.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
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. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see the following
URL: www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee IIW, International Institute of Welding, Commission
XIII, Fatigue of welded components and structures.
Requests for official interpretations of any aspect of this document should be directed to the ISO Central
Secretariat, who will forward them to the IIW Secretariat for an official response.
iv © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO/TS 20273:2017(E)
Introduction
This document has been derived from the main results given in Reference [28] which was previously
published as XIII-2510-13. It constitutes the considered judgment of experts on fatigue in welded joints
assuming thicker plates in steel. For further or more detailed information, see Reference [28].
This document is applicable where fatigue assessment is assumed to be based on either the nominal
stress approach or structural stress approach as defined by References [1] and [2]. More refined
fatigue assessment methods based on notch stress concepts or fracture mechanics already included
the ability to completely or partially account for weld geometric features and imperfections and are not
specifically covered by this document.
It is assumed that the user has a working knowledge of the basics of fatigue and fracture mechanics. In
some cases, working knowledge of finite element analysis is also needed. The recommendations and
guidelines are considered to reflect the fatigue strength of the welded joint itself with a defined survival
probability but without environmental effects. They are thus applicable to many industrial sectors. It
is assumed that the user will apply good principals of limit state structural design. Appropriate partial
safety factors for load and resistance are to be applied depending on the industry. This document does
not define the partial safety factors for load or resistance to be used in fatigue assessment.
© ISO 2017 – All rights reserved v
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TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 20273:2017(E)
Guidelines on weld quality in relationship to fatigue
strength
1 Scope
This document provides guidance for setting appropriate weld quality requirements in relation to
fatigue.
This document is applicable to fusion (arc and/or beam welding) welded steel plate-type structures
having a thickness of >3 mm, which are subjected to cyclic loading.
Due to lack of experimental data for aluminium welds and ultra-high strength steels, the fatigue
strength (or S-N) curves apply only to structural steel up to a maximum specified yield strength of
960 MPa.
The acceptance criteria in this document may be applied to higher strength steels, stainless steels and
certain concepts to 5000 and 6000 series of aluminium alloys which are commonly used in welded
structures. In the absence of relevant published data, it is recommended that this be quantified by
special testing.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at http://www.iso.org/obp
— IEC Electropedia: available at http://www.electropedia.org/
3.1
cold lap
micro lack of fusion
region of non-fused overlap (3.7) between the weld metal and base plate which results in an imperfection
parallel to the base plate
3.2
effective notch stress
elastic notch stress calculated for a notch with a certain assumed notch radius
3.3
improved welds
welds for which the weld toe is treated after welding by a grinding, re-melting or peening operation
Note 1 to entry: IIW guidelines for select post-weld treatment methods have been published.
3.4
inclusion
slag inclusion
non-metallic material entrapped in molten metal during solidification
© ISO 2017 – All rights reserved 1
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ISO/TS 20273:2017(E)
3.5
high quality weld
weld with a lower level of imperfections such that it has fatigue strength greater than that defined in
the IIW guidelines and recommendations with respect to nominal stress, hot spot stress (3.9) or effective
notch stress (3.2)
Note 1 to entry: The improvement in fatigue strength is normally two FAT classes.
Note 2 to entry: Used in some standards.
3.6
normal quality weld
weld for which the level of imperfections is such that it satisfies the fatigue strength requirement
defined in the IIW guidelines and recommendations with respect to nominal stress, hot spot stress (3.9)
or effective notch stress (3.2)
3.7
overlap
protrusion of weld metal beyond the weld toe or weld root
Note 1 to entry: An overlap may be fused or non-fused. A toe overlap without fusion between the weld metal and
base plate is the same as a cold lap (3.1).
3.8
porosity
cavities or pores caused by gas entrapment in molten metal during solidification
3.9
structural stress
geometric stress
hot spot stress
stress in a component, resolved to take into account the effects of a structural discontinuity on the
surface at a hot spot, consisting of membrane and shell bending stress components
3.10
undercut
unfilled groove along the fusion line between weld metal and base plate
4 Symbols and abbreviated terms
Symbol Designation
FAT All fatigue resistance data at 2 million cycles. The FAT classes are given as characteristic values,
which are assumed to represent a survival probability of at least 95 %, calculated from mean value
on the basis of a two-sided 75 % tolerance limits of the mean. Other existing definitions as e.g. a
survival probability of 95 % on the basis of 95 % one-side limit of the mean or means minus two
standard deviations corresponding to a survival probability of 97,7 % are practically equal for
engineering applications.
Levels are arranged in steps.
k stress magnification factor for misalignment
m
N cycles to failure
f
∆S or ∆σ nominal stress range, acting on a structure
∆S or ∆σ characteristic nominal (resistance) stress range in MPa (see FAT above), but is a continuous vari-
c c
able when FAT are given in steps
I weld penetration
R weld toe radius
a initial crack dimensions
i
t thickness of plate
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ISO/TS 20273:2017(E)
Symbol Designation
e or m misalignment between plates
u undercut at weld toe
α angle of weld
a throat size of weld
s s-measure from plate surface to butt joint weld penetration
5 Background
5.1 General
Typical fabricated structures may have hundreds or even thousands of meters of weld. Thus, many
potential fatigue cracking locations are present which should be considered during design development
and production. The challenge is to optimize a design so that the welds have sufficient fatigue strength
and fabrication quality to withstand the loads during the economic life of the structure or piece of
[12]
equipment. Quality systems for welds are described in so-called weld class systems, such as ISO 5817
or Reference [50]. In these systems, acceptance limits are given for different weld geometry features or
imperfections. Based on these limits, a weld is associated with a quality level, e.g. B, C or D. Intuitively, a
high quality level, B, is assumed to perform better during service than a weld with a C or D quality level.
The problem with the existing weld quality systems is that they were initially developed as a measure
of “good workmanship” with respect to fabrication, i.e. as a measure of the skill of the individual or
machine performing the operation. As such, they have been incorporated into a number of training
and education programs for welders and weld inspectors. However, numerous studies have shown
[16]
that the link between the existing weld quality classes and fatigue performance is not consistent.
[52][53]
Some acceptance criteria for some weld features or imperfections are found to have little or no
influence on fatigue strength. For features which do influence fatigue strength, the acceptance criteria
between quality classes, do not result in uniform changes in the fatigue strength. Realizing that fatigue
is highly affected by the local geometric features and imperfections of the weld, systems like ISO 5817
could have been a good tool for quality measures regarding fatigue.
Designers of welded structures, on the other hand, think of weld quality in terms of performance,
often called “design for purpose”. In this realm, quality would mean that a weld is able to perform
its required function during the economic life of the component or structure. The required function
may be a major like resistance to fatigue failure, sufficient strength with respect to extreme loads,
permeability or corrosion resistance or the required function could be a minor functional property like
hardness, resistance to abrasion, visual appearance or surface finish. This way of thinking is consistent
with modern design guidelines for structures which are based on limit state design considerations.
One important feature of limit state design is the existence of clearly identified conditions or limits that
constitute failure or feasibility for a structure. For a designer, any discussion of quality should relate
the definition of weld quality with the limit state(s) that quantify failure. Fatigue strength is one of the
most demanding limit state design criteria for welded structures.
5.2 Design for purpose
The characteristic of the predominant load on the component is a major guiding consideration when
formulating quality guidelines for load-carrying structures. For predominantly statically loaded welds,
design calculations are based on the average stress in the weld net area. For this reason, ductility of the
heat-affected zone (HAZ) and weld metal and sufficient weld throat thickness are the most important
features. Imperfections like porosity, undercuts or cold laps have very little influence on the static
capacity as long as the weld is ductile and the imperfections are small enough so as not to significantly
reduce the weld cross-sectional area. Thus, ISO 5817 includes many acceptance criteria which are
not relevant for static loaded joints. Throat thickness is by far the most significant geometric feature
of a weld subjected to predominantly static loading. Weld type (butt, fillet, V-weld, K-weld), does not
significantly influence strength for equal throat thickness.
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ISO/TS 20273:2017(E)
Ductility and throat thickness are ensured by pre-production tests to validate the welding procedure
specification (WPS). The same specification should ensure that crack-like imperfections are not formed
during welding. For welded structures in high strength steel, matching or overmatching of the weld
metal strength may be difficult to achieve. In this case, insufficient static strength of the filler material
can be compensated by adding filler material. Loss of ductility, however, cannot always be compensated
for by adding material so this is considered to be the most important basic requirement of welding.
Joint ductility is assumed in all types of structural durability assessment. The WPS provides a guideline
which ensures the deformation capacity and strength of the joint. Thus, when defining the welding
parameters, it is important to prioritize those parameters that produce required quality. Following
this, aspects which improve productivity can be considered. Some structures will naturally have only
very low load carrying requirements and in these cases, optimization of production costs can bring
significant savings for fabrication. One example of this type of weld may be, for example, long fixing
welds in statically loaded structures.
For predominantly fatigue loaded structures, the demands of ductility and sufficient throat thickness
are to be maintained. But, because fatigue strength is significantly influenced by the local characteristics
of the joint, extra requirements with respect to weld geometry and imperfections are imposed. In
addition to throat thickness and ductility, Reference [23], for example, identifies seven additional weld
features which strongly influence fatigue strength: penetration, cold lap size, inner lack of fusion, weld
toe transition radius, undercut size, joint misalignment and porosity (see Figure 1). It can be noted
that in some technical literature, the cold lap imperfection in Figure 1 is sometimes referred to as a
micro lack of fusion or a non-fused overlap. In technical literature, there is some inconsistency as to
the definition of throat thickness, a, for partially penetrated welds. In this document, the definition is
consistent with the Eurocodes, i.e. weld throat thickness also includes the penetration. The fillet size,
a*, is defined as being measured from the intersection of the plates as shown in Figure 1. Thus, for
fillet welds with no penetration, a = a*, and for fillet welds with penetration, a, approximately a* + i/√2.
Porosity is categorized based on pore location, diameter and whether the pores occur singly or as a
cluster. Weld angle can have an influence on fatigue strength. However, for fillet welds with high fatigue
strength, weld angle is less important than weld toe radius. For welds which have fatigue strength
meeting IIW Recommendations, α ≥ 120° is sufficient.
aa
a
a
α
r
u
Key
a throat thickness
a* fillet size
a cold lap length
0
α weld angle
i weld penetration
r weld toe radius
u depth of undercut
Figure 1 — Fillet weld geometry features which significantly influence fatigue strength
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ISO/TS 20273:2017(E)
Root side fatigue can be the result of poor design or improper WPS. If a full penetration weld is not
designated, lack of penetration may serve as a large initial defect. The greater defect, the shorter the
expected life so the root side fatigue strength can vary from near zero to a value far exceeding the
fatigue strength of the weld toe or plate edge. Designing against fatigue is thus strongly dependent
on the weld penetration. The needed value of “i” is determined by analysis using the effective notch
method, fracture mechanics or other suitable method. It is suggested that root side penetration should
be specified on the production drawing and that the quality requirement is simply that penetration is
equal to or greater than this value.
Based on the type of loading, differentiation is to be made between various joint categories. Design
criteria and quality requirements will depend heavily on the primary function of the joint. Applied
loads and structural geometry together establish the joint function. This is basically the essence of
the concept called “Design for Purpose”. The simple welded T-joints presented in Figure 2 can have
numerous functions based on the applied forces, F1 to F4.
If the joint is loaded by the force component F1, the weld is a shear-loaded longitudinal weld. Web-to-
flange welds in plate girders are typical examples of this type of weld. In such cases, the acceptance
criteria related to the weld toe are rarely significant but failure from the weld root can occur.
For the longitudinal weld loaded by F2, weld start and stop positions become critical and the waviness
of the fusion line can have strong influence on fatigue strength. If the joint is loaded by the force
component F3, the weld is a non-load carrying accessory weld and the weld toe geometry at the base
plate to weld fusion line becomes crucial, i.e. by cold lap size, weld toe transition radius and undercut
size. Welds loaded by F3 can also be considered as moderately demanding with respect to fabrication.
A non-loaded accessory weld will never be critical in static loading cases but will often lead to fatigue
failure.
For load-carrying fillet welds subjected to F4, the weld toe geometry at the attachment-to-weld
fusion line is critical. Cold lap size, inner lack of fusion, weld toe transition radius, undercut size, joint
misalignment porosity and weld penetration all potentially have strong influence on the fatigue strength
of the joint. For a weld loaded with force F4, a root side fatigue crack can also develop depending on the
degree of penetration. Welds loaded by F4 are the most demanding both with respect to design and
fabrication because both the weld toe side and root side is to be considered.
5.3 Fatigue assessment procedures
Numerous fatigue assessment methods have been introduced to assess the durability of metal
structures under cyclic loading. Finite element (FE) modelling is an integral part of most design and
analysis work and methods have evolved as the analysis possibilities have become more sophisticated
and computers have increased in speed and memory capacity. Fatigue assessment places two conflicting
demands on the analysts. The fatigue damage process itself is highly local, thus requiring a fine FE
mesh. On the other hand, welded structures are frequently large and geometrically complex, they have
numerous load input locations and they have boundary conditions which may be difficult to define.
These demands are best satisfied with a large FE model. Because of this conflict, fatigue assessment is
frequently the slowest link in the design process of welded structures.
The fatigue resistance and fatigue life of welded joints can be evaluated based on fatigue testing or
analysis using the nominal stress method, the hot spot method, the notch stress/strain method or crack
growth simulations based on linear elastic fracture mechanics. The different assessment methods are
[1]
described in detail in the IIW recommendations on fatigue and will not be repeated here.
© ISO 2017 – All rights reserved 5
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ISO/TS 20273:2017(E)
F₁
a) Longitudinal shear loaded fillet weld b) Longitudinal normal loaded fillet weld
F₄
F₃
c) Transverse normal non-load carrying fillet weld d) Transverse normal load-carrying fillet
weld, toe cracking
F₄
e) Transverse load-carrying fillet weld, root cracking
NOTE Dotted lines indicate fatigue critical points.
Figure 2 — Joint classification determination based on joint loading/function
5
...
SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 20273
Première édition
2017-08
Lignes directrices sur la qualité de la
soudure en rapport à la résistance à
la fatigue
Guidelines on weld quality in relationship to fatigue strength
Numéro de référence
ISO/TS 20273:2017(F)
©
ISO 2017
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ISO/TS 20273:2017(F)
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sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie, l’affichage sur
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l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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ISO/TS 20273:2017(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles et abréviations . 2
5 Contexte . 3
5.1 Généralités . 3
5.2 Conception destinée à un but . 4
5.3 Procédures d’évaluation de la fatigue . 6
5.4 Classification des défauts et caractéristiques des soudures . 7
6 Niveaux de qualité de soudure pour les structures soumises à des charges de fatigue.8
6.1 Évaluation de la qualité de soudure . 8
6.2 Exigences pour une qualité de soudure de niveau production . 9
6.2.1 Généralités . 9
6.2.2 Effet de la géométrie de pied de cordon . 9
6.2.3 Effet de défaut d’alignement .12
6.2.4 Effet du caniveau .14
6.2.5 Effet de reprise .15
6.2.6 Effet des inclusions et de la porosité .16
6.2.7 Effet des fissures et des défauts de type fissures .16
6.3 Plan d'expérience (DoE) utilisant une simulation.22
6.3.1 Généralités .22
6.3.2 Paramètres utilisant la méthode d'entaille effective sur les soudures bout
à bout .22
6.3.3 Paramètres utilisant la méthode d'entaille effective sur les soudures d'angle .24
6.4 Calcul de fatigue des soudures de haute qualité .26
6.4.1 Généralités .26
6.4.2 Effets des méthodes d’amélioration .26
6.4.3 Amélioration de la forme du pied de cordon .27
6.4.4 Amélioration par contraintes résiduelles de compression .27
7 Exigences de côté racine .27
7.1 Généralités .27
7.2 Assemblages avec racine de soudure au point le plus faible .28
7.3 Désignation pour pénétration.28
7.4 Plan d'expérience pour assemblages porteurs .29
7.5 Taille de gorge par rapport à la pénétration.32
8 Aptitude au service .35
8.1 Généralités .35
8.2 Évaluation de la fatigue par propagation de fissure .36
8.3 Paramètres de matériau pour propagation de fissure .36
8.4 Formules pour les coefficients d'intensification de contrainte .37
8.4.1 Généralités .37
8.4.2 Solutions standard .37
8.4.3 Solutions pour la fonction d'intensification, M .
k 39
8.4.4 Exemples d'évaluation par mécanique de rupture .41
Bibliographie .47
© ISO 2017 – Tous droits réservés iii
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ISO/TS 20273:2017(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 (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www.
iso.org/directives).
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. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www.iso.org/iso/fr/avant-propos.html
Le comité chargé de l'élaboration du présent document est l’IIW, Institut international de la soudure,
Commission XIII, Fatigue des composants et des structures soudés.
Il convient que les demandes d'interprétations officielles de l'un quelconque des aspects du présent
document soient faites par écrit et envoyées au Secrétariat central de l'ISO qui les transmettra au
Secrétariat de l'IIW en vue d'obtenir une réponse officielle.
iv © ISO 2017 – Tous droits réservés
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ISO/TS 20273:2017(F)
Introduction
Le présent document a été établi sur la base des principaux résultats donnés en Référence [28],
précédemment publiés sous la désignation XIII-2510-13. Il représente l'opinion mûrement réfléchie
d'experts en fatigue des assemblages soudés, en se basant sur des plaques d'acier plus épaisses. Pour de
plus amples informations, ou des informations plus détaillées, voir la Référence [28].
Le présent document s'applique lorsque l'estimation de la fatigue est supposée être basée soit sur
la méthode des contraintes nominales, soit sur celle des contraintes géométriques, comme définie
dans les Références [1] et [2]. Des méthodes plus affinées d'estimation de la fatigue basées sur les
concepts de contrainte d'entaille ou de mécanique de rupture offraient déjà la possibilité d'expliquer
complètement ou partiellement les caractéristiques géométriques et les défauts de soudure qui ne sont
pas spécifiquement traités dans le présent document.
On suppose que l'utilisateur a une connaissance pratique des éléments essentiels de la fatigue et de la
mécanique de rupture. Dans certains cas, une connaissance pratique de l'analyse par éléments finis
est également requise. Les recommandations et lignes directrices sont considérées comme reflétant la
résistance à la fatigue de l'assemblage soudé lui-même, avec une probabilité de survie définie mais sans
effet sur l'environnement. Elles sont donc applicables à de nombreux secteurs industriels. On suppose
que l'utilisateur appliquera de bons principes de calcul des structures à l'état limite. Des coefficients
partiels de sécurité appropriés de charge et de résistance sont appliqués suivant le secteur d'activité. Le
présent document ne définit pas les coefficients partiels de sécurité de charge et de résistance à utiliser
pour l'estimation de la fatigue.
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SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 20273:2017(F)
Lignes directrices sur la qualité de la soudure en rapport à
la résistance à la fatigue
1 Domaine d'application
Le présent document fournit des préconisations pour établir des exigences appropriées de qualité de
soudure par rapport à la fatigue.
Le présent document est applicable aux structures de type plaques d'acier soudées par fusion (à l'arc
et/ou par faisceau) d'une épaisseur de >3 mm, qui sont soumises au chargement cyclique.
Étant donné le manque de données expérimentales pour les soudures sur aluminium et aciers à
très haute résistance, les courbes de résistance à la fatigue (ou S-N) ne s'appliquent qu'à l'acier de
construction jusqu'à une limite maximale d'élasticité spécifiée de 960 MPa.
Les critères d'acceptation du présent document peuvent être appliqués à des aciers de résistance
plus élevée, des aciers inoxydables, et certains concepts aux séries 5000 et 6000 d'alliages aluminium
couramment utilisés dans les structures soudées. En l'absence de données publiées significatives, une
quantification par essais spéciaux est recommandée.
2 Références normatives
Il n’y a pas de référence normative dans le présent document.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC maintiennent des bases de données terminologiques pour utilisation dans le domaine de la
normalisation aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse http://www.iso.org/obp
— IEC Electropedia: disponible à l'adresse http://www.electropedia.org/
3.1
reprise
micromanque de fusion
zone de recouvrement (3.7) non fondu entre le métal fondu et la plaque-support se traduisant par un
défaut parallèle à la plaque-support
3.2
contrainte d’entaille effective
contrainte d’entaille élastique calculée pour une entaille ayant un certain rayon d'entaille postulé
3.3
soudures améliorées
soudures pour lesquelles le pied du cordon de soudure est traité après le soudage au moyen d'une
opération de meulage, refusion ou martelage
Note 1 à l'article: Les lignes directrices de l'IIW pour les méthodes de traitement après soudage retenues ont été
publiées.
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ISO/TS 20273:2017(F)
3.4
inclusion
inclusion de laitier
matériau non métallique piégé dans du métal en fusion au cours de la solidification
3.5
soudure de haute qualité
soudure ayant un niveau de défauts moins élevé tel qu'elle a une résistance à la fatigue supérieure à celle
définie dans les lignes directrices et recommandations de l'IIW par rapport aux contraintes nominales,
contraintes au point chaud (3.9) ou contraintes d’entaille effectives (3.2)
Note 1 à l'article: L'amélioration de la résistance à la fatigue est généralement deux classes FAT.
Note 2 à l'article: Utilisé dans certaines normes.
3.6
soudure de qualité normale
soudure pour laquelle le niveau de défauts est tel qu'elle répond aux exigences de résistance à la fatigue
définies dans les lignes directrices et recommandations de l'IIW par rapport aux contraintes nominales,
contraintes au point chaud (3.9) ou contraintes d’entaille effectives (3.2)
3.7
recouvrement
dépassement de métal fondu au-delà du pied de cordon ou de la racine de soudure
Note 1 à l'article: Un recouvrement peut être fondu ou non fondu. Un recouvrement du pied de cordon sans fusion
entre le métal fondu et la plaque-support est identique à une reprise (3.1).
3.8
porosité
cavités ou pores générés par du gaz piégé dans du métal en fusion au cours de la solidification
3.9
contrainte géométrique
contrainte au point chaud
contrainte dans un composant, décomposée pour prendre en compte les effets d'une discontinuité
structurale à la surface d'un point chaud, constituée de composants de contraintes de membrane et de
flexion de la paroi
3.10
caniveau
rainure non remplie le long de la zone de liaison entre le métal fondu et la plaque-support
4 Symboles et abréviations
Symbole Désignation
FAT Toutes les données de résistance à la fatigue à 2 millions de cycles. Les classes FAT sont données
comme des valeurs caractéristiques, qui sont censées représenter une probabilité de survie d'au
moins 95 %, calculée à partir d'une valeur moyenne sur la base de limites de tolérance de 75 % de
chaque côté de la moyenne. Les autres définitions existantes, comme par exemple une probabilité de
survie de 95 % sur la base d'une limite de 95 % d'un côté de la ou des moyennes moins deux écarts-
types correspondant à une probabilité de survie de 97,7 % sont similaires en matière d'ingénierie.
Les niveaux sont organisés par paliers.
k coefficient d'intensification de contrainte pour défaut d'alignement
m
N cycles à la rupture
f
∆S ou ∆σ étendue de contraintes nominales, agissant sur une structure
∆S ou ∆σ étendue de contraintes (résistance) nominales caractéristique en MPa (voir FAT ci-dessus), mais
c c
variable continue quand les FAT sont données par paliers
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ISO/TS 20273:2017(F)
Symbole Désignation
I pénétration de soudure
R rayon de pied de cordon
a dimensions de fissure initiale
i
t épaisseur de la plaque
e ou m défaut d'alignement entre plaques
u caniveau au pied de cordon
α angle de la soudure
a taille de gorge de la soudure
s mesure-s de la surface de la plaque à la pénétration de soudure d'assemblage soudé bout à bout
5 Contexte
5.1 Généralités
Les structures fabriquées typiques peuvent avoir des centaines, voire des milliers de mètres de soudure.
De nombreux emplacements potentiels de fissuration due à la fatigue sont donc présents, et il convient
de les prendre en compte au cours du développement de conception et de la production. Le problème à
résoudre est d'optimiser une conception de manière que les soudures aient une résistance à la fatigue et
une qualité de fabrication suffisantes pour supporter les charges pendant la durée de vie économique de
la structure ou de l'équipement. Les systèmes de qualité pour soudures sont décrits dans les systèmes
[12]
dits de classes de soudures, comme l'ISO 5817 ou la Référence [50]. Dans ces systèmes, les limites
d'acceptation sont données pour différentes caractéristiques de géométrie de soudure ou différents
défauts. Sur la base de ces limites, une soudure est associée à un niveau de qualité, par exemple B, C ou
D. Un niveau élevé de qualité B est intuitivement supposé être mieux adapté en service qu'une soudure
avec un niveau de qualité C ou D. Le problème avec les systèmes de qualité de soudure existants est
qu'ils ont d'abord été développés comme une mesure de « bonne qualité du travail » en ce qui concerne
la fabrication, c'est-à-dire comme une mesure de l'aptitude de l'individu ou de la machine effectuant
l'opération. À ce titre, ils sont incorporés dans de nombreux programmes de formation et d'études pour
les soudeurs et les contrôleurs de soudage. Un grand nombre d'études ont toutefois montré que le lien
[16]
entre les classes de qualité de soudure existantes et la performance en fatigue n'est pas systématique
[52][53]
. On constate que certains critères d'acceptation pour certaines caractéristiques de soudure ou
certains défauts ont peu ou pas d'influence sur la résistance à la fatigue. Pour les caractéristiques qui
influencent la résistance à la fatigue, les critères d'acceptation entre classes de qualité ne se traduisent
pas par des changements uniformes de résistance de la fatigue. Si l'on tenait compte du fait que la fatigue
est fortement influencée par les caractéristiques géométriques et les défauts locaux de la soudure, des
systèmes comme l'ISO 5817 auraient pu être de bons outils de mesure de la qualité en ce qui concerne
la fatigue.
En revanche, les concepteurs de structures soudées considèrent la qualité de soudure en termes de
performance, souvent appelée «conception destinée à un but». Dans ce domaine, la qualité signifierait
qu'une soudure est capable d'effectuer sa fonction requise pendant la durée de vie économique du
composant ou de la structure. La fonction requise peut être soit une fonction majeure, telle que la
résistance à la défaillance par fatigue, une résistance suffisante par rapport aux charges extrêmes,
la résistance à la perméabilité ou à la corrosion, soit une propriété fonctionnelle mineure telle que
la dureté, la résistance à l'abrasion, l'aspect visuel ou la finition de surface. Cette manière de penser
est en harmonie avec les lignes directrices modernes de conception des structures qui sont basées
sur des considérations de calcul à l'état limite. Une particularité importante du calcul à l'état limite
est l'existence de conditions ou de limites clairement identifiées qui constituent la défaillance ou la
faisabilité d'une structure. Pour un concepteur, il convient que toute discussion de la qualité fasse
le lien entre la définition de la qualité de la soudure et l'état ou les états limite(s) qui quantifie(nt) la
défaillance. La résistance à la fatigue est l'un des critères de calcul à l'état limite les plus rigoureux pour
les structures soudées.
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ISO/TS 20273:2017(F)
5.2 Conception destinée à un but
La caractéristique de la charge prédominante sur le composant est une considération de base majeure
lors de la formulation de lignes directrices de la qualité pour les structures porteuses. Pour les soudures
soumises à une charge essentiellement statique, les calculs de conception sont basés sur la contrainte
moyenne dans la surface nette de la soudure. C'est pour cette raison que la ductilité de la zone affectée
thermiquement (ZAT) et l'épaisseur de métal fondu et la hauteur de gorge de soudure suffisante sont
les caractéristiques les plus importantes. Les défauts tels que la porosité, les caniveaux ou les reprises
n'ont que très peu d'influence sur la capacité statique tant que la soudure est ductile et que les défauts
sont suffisamment petits de manière à ne pas réduire de manière significative l’aire de la section de la
soudure. Ainsi, l'ISO 5817 comprend plusieurs critères d'acceptation non applicables aux assemblages
sous charge statique. La hauteur de gorge est de loin la caractéristique géométrique la plus importante
d'une soudure soumise à une charge essentiellement statique. Le type de soudure (bout à bout, d'angle,
en V, en K), n'a pas d'influence significative sur la résistance à hauteur de gorge égale.
La ductilité et la hauteur de gorge sont vérifiées par des essais de pré-production pour valider le
descriptif d'un mode opératoire de soudage (DMOS). Il convient que ce même descriptif permette de
s'assurer que des défauts de type fissure n'apparaissent pas pendant le soudage. Pour les structures
soudées en acier à haute résistance, il peut être difficile d'égaler ou de dépasser la résistance du métal
en fusion. Dans ce cas, une résistance statique insuffisante du matériau d'apport peut être compensée
en ajoutant du matériau d'apport. Toutefois, une perte de ductilité ne peut pas être systématiquement
compensée en ajoutant du matériau, ce qui fait qu'elle est considérée comme l'exigence de base la plus
importante pour le soudage. La ductilité du joint est tenue pour acquise dans tous les types d'évaluation
de durabilité de la structure. Le DMOS donne des lignes directrices pour garantir la capacité de
déformation et la résistance à celle-ci de l'assemblage. Ainsi, lors de la définition des paramètres de
soudage, il importe de donner la priorité aux paramètres qui génèrent la qualité requise. Les éléments
qui améliorent la productivité peuvent ensuite être considérés. Certaines structures n'auront de par
leur nature que des exigences de charge très réduites, et dans ces cas, l'optimisation des coûts de
production peut se traduire par des économies importantes pour la fabrication. À titre d'exemple de
ce type de soudure, on peut citer les soudures de fixation longues dans des structures soumises à une
charge statique.
Pour les structures surtout soumises à des charges de fatigue, il est nécessaire que les exigences de
ductilité et de hauteur de gorge suffisante soient maintenues, mais étant donné que la résistance à
la fatigue est fortement influencée par les caractéristiques locales de l'assemblage, des exigences
supplémentaires liées à la géométrie et aux défauts de soudure sont imposées. Outre la hauteur de gorge
et la ductilité, la Référence [23], par exemple, identifie sept caractéristiques de soudure supplémentaires
qui ont une influence importante sur la résistance à la fatigue: la pénétration, la taille de reprise, le
manque de fusion interne, le rayon de transition de pied de cordon, la taille du caniveau, le défaut
d’alignement de l'assemblage et la porosité (voir la Figure 1). Il est à noter que dans certains documents
techniques de référence, le défaut de reprise en Figure 1 est parfois appelé micromanque de fusion
ou recouvrement non fondu. Les documents techniques de référence montrent un certain manque de
rigueur quant à la définition de la hauteur de gorge, a, pour les soudures à pénétration partielle. Dans
le présent document, la définition correspond aux Eurocodes, c'est-à-dire que la hauteur de gorge de la
soudure comporte également la pénétration. La taille de soudure d'angle, a*, est définie comme étant
mesurée à partir de l'intersection des plaques comme illustré à la Figure 1. Ainsi, pour les soudures
d'angle sans pénétration, a = a*, et pour les soudures d'angle avec pénétration, a, environ a* + i/√2. La
porosité est classée par catégories sur la base de l'emplacement des pores, de leur diamètre, et suivant
que les pores apparaissent individuellement ou en groupe. L'angle de soudure peut avoir une influence
sur la résistance à la fatigue. Toutefois, pour les soudures d'angle avec une résistance à la fatigue
élevée, l'angle de soudure est moins important que le rayon de pied de cordon. Pour les soudures dont la
résistance à la fatigue est conforme aux Recommandations de l'IIW, α ≥ 120° est suffisant.
4 © ISO 2017 – Tous droits réservés
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ISO/TS 20273:2017(F)
aa
a
a
α
r
u
Légende
a hauteur de gorge
a* taille de soudure d'angle
a longueur de reprise
0
α angle de soudure
i pénétration de soudure
r rayon de pied de cordon
u profondeur de caniveau
Figure 1 — Caractéristiques géométriques des soudures d'angle ayant une influence
significative sur la résistance à la fatigue
La fatigue du côté racine peut être la conséquence d'une mauvaise conception ou d'un DMOS inadapté.
Si une soudure à pleine pénétration n'est pas désignée, un manque de pénétration peut servir de
défaut initial important. Plus le défaut est important, plus la durée de vie prévue est courte, et donc la
résistance à la fatigue du côté racine peut varier de presque nulle à une valeur largement supérieure
à la résistance à la fatigue du pied de cordon ou du bord de la plaque. La conception contre la fatigue
dépend donc considérablement de la pénétration de soudure. La valeur requise de «i» est déterminée
par analyse à l'aide de la méthode d'entaille effective, la mécanique de rupture ou autre méthode
appropriée. Il est suggéré que la pénétration du côté racine soit spécifiée sur le dessin de production, et
que l'exigence de qualité soit simplement que la pénétration soit égale ou supérieure à cette valeur.
D'après le type de chargement, une différentiation est à faire entre plusieurs catégories d'assemblages.
Les critères de conception et les exigences de qualité dépendront en grande partie de la fonction
principale de l'assemblage. Les charges appliquées et la géométrie de structure déterminent ensemble
la fon
...
Questions, Comments and Discussion
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