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
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 2017
© ISO 2017, Published in Switzerland
All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form
or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior
written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of
the requester.
ISO copyright office
Ch. de Blandonnet 8 • CP 401
CH-1214 Vernier, Geneva, Switzerland
Tel. +41 22 749 01 11
Fax +41 22 749 09 47
copyright@iso.org
www.iso.org
ii © ISO 2017 – All rights reserved
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
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
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.
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
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
2 © ISO 2017 – All rights reserved
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.
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
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
4 © ISO 2017 – All rights reserved
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.
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
5.4 Classification of weld imperfections and features
The designation and the classification of weld imperfections and features depends on both the material
being joined (e.g. steel or aluminium) and the joining process (e.g. fusion welding, pressure welding, etc.).
A general designation system for imperfections of welding and allied process is contained in
[9]
ISO/TS 17845 , which covers both metallic and non-metallic materials. A classification of geometric
[10]
imperfections in metallic materials is given for fusion welding in ISO 6520-1 and for welds made
[11]
with in ISO 6520-2 . Neither standard includes classifications for metallurgical imperfections.
6 © ISO 2017 – All rights reserved
The geometric weld imperfections for fusion welding in ISO 6520-1 are relevant for arc and beam
welding processes covering metallic materials: steel, nickel, titanium, aluminium and their alloys. The
document contains the relevant classification of geometric imperfections for these welding processes
but no information about the relevant quality level or limits are provided.
Acceptance limits for the imperfections defined in ISO 6520-1 are given in order to define quality
levels. For arc-welded joints (excluding beam welding) in steel, nickel, titanium and their alloys, quality
[12]
levels are defined in ISO 5817 and for aluminium and its alloys, the quality levels are defined in
[13]
ISO 10042 . For electron and laser beam welded joints in steel, quality levels are defined in
[14] [15]
ISO 13919-1 and for aluminium and its alloys, in ISO 13919-2 . For laser-arc hybrid welding of
[17]
steels, nickel and nickel alloys there are quality levels for imperfections in ISO 12932 .
In these International Standards, which define quality levels and limits, the following quality classes
are used:
— quality class B refers to high quality requirements;
— quality class C refers to middle quality requirements;
— quality class D refers to low quality requirements.
However, these acceptance limits have weak relation to fatigue as stated above. For more details on
this, see Reference [28].
6 Weld quality levels for fatigue loaded structures
6.1 Assessment of weld quality
The imperfections and their classification into quality groups are mostly done by the guidance of
introduced codes. One standard for weld quality is ISO 5817, an adoption of DIN 8563, which was
established as a standard for communication between the welders and the inspectors. The classification
criterion was the difficulty, the expenses or the efforts to fabricate or to inspect by NDT. So by nature,
ISO 5817 has limits in direct application to fatigue problems; it is inconsistent in respect to fatigue
properties and needs application guidance. In the 2014 version, an additional Annex C is present, where
some requirements are given in relation to fatigue. Most dedicated design codes specify a general
quality level according to ISO 5817 and give additional regulations. In this situation, the IIW fatigue
design recommendations have extended the scope of usual fatigue design codes by describing the
fatigue properties of joints containing weld imperfections on a scientific basis.
After inspection and detection of a weld imperfection, the first step of the assessment procedure is
to determine the type and the effect of the imperfection by categorization as given in Table 1. If a
weld imperfection cannot be clearly associated to a type or an effect of imperfections as listed here,
it is recommended that it is assumed to be crack-like. The interpretation of additive imperfections
is that they are adding their impact on fatigue, e.g. an undercut and a small toe radius. Competitive
imperfections are not influencing each other and so will compete in being the most critical one, e.g. an
inner pore and a small toe radius.
Table 1 — Categorization and assessment procedure for weld imperfections
Effect of imperfection Type of imperfection Assessment
Formulae for effective stress
Rise of general stress level Misalignment
concentration
Additive Weld shape imperfections, undercut Tables given
Local
notch
Porosity and inclusions not near the
Competitive Tables given
effect
surface
Cracks, lack of fusion and penetration,
Crack-like imperfection all types of imperfections other than Fracture mechanics
given here
6.2 Requirements for a production standard weld quality
6.2.1 General
In as-welded joints, the fatigue resistance is given by a so called FAT class (MPa). This is the stress
range at 2 × 10 cycles for a certain survival probability, see FAT in nomenclature above. The spacing of
the grid of resistance S-N-curves corresponds to a factor of 10 = 1,122 and so they are arranged in
certain defined steps. The other fatigue resistance values in this document also give the data in the
same way for 2 × 10 cycles.
6.2.2 Effect of toe geometry
6.2.2.1 General
Several assessment procedures do not consider the important effects of toe geometry. These are the
nominal stress and the structural hot spot procedures, which reflect the toe geometries of the specimens
which have been tested for the establishing of the codes or recommendations. The consequence is a
wide scatter in the experimental results. There are two assessment procedures, by which the effects
can be covered: the effective notch stress method and the fracture mechanics evaluation.
The governing parameters for fatigue properties failing from the weld toe are the toe radius, r, the weld
transition angle, α, the weld throat and the wall thicknesses of the joined plates (see Figure 1).
Various attempts have been made to derive the fatigue properties directly from the shape of the weld
toe transition. For those calculations, three geometrical parameters have been used, such as weld toe
radius, weld toe angle and wall thickness.
The mostly used formulae for the stress raising notch effect of the toe have been developed by
References [18], [19] and [20]. When calculating a notch factor, K , it has to be considered that the
t
transition from K to K is dependent of the stress gradient in thickness direction, and so also from the
t f
wall thickness, where K is the geometric stress concentration factor and K is the stress concentration
t f
factor which is effective for fatigue.
Since the weld toe radii (r) mainly depend on the welding procedure in shop and are independent from
the wall thickness, the ratio of radius to wall thickness (r/t) varies, which in consequence leads to a
dependence of fatigue properties of wall thickness, the so called thickness effect. Nominal and structural
hot spot stress methods do not consider the geometric parameters of the weld toe. They need an extra
compensation for the effect of wall thickness. Notch stress and fracture mechanics include this effect.
The fatigue resistance values for the effective notch stress method (with model radius of, for example,
1 mm) have been directly derived from re-calculation of experimental data and so the effect of
the transition from K to K is implicitly considered. Using fracture mechanics crack propagation
t f
calculations, the decline of stress in thickness direction reduces the crack growth rate accordingly and
thus considers the effect of the stress gradient.
6.2.2.2 Toe radius in butt welds
The effect of the toe radius is directly covered by the effective notch and fracture mechanics method.
This effect is not covered in the nominal and structural hot spot stress method and thus their effects
might be estimated by the use of Table 2 and Table 3.
The assessment of the toe radius may be done after Reference [29]. The used exponent for the effect of
radius, r, was taken as 0,125 and that on wall thickness, t, as 0,2.
Table 2 shows the relative factor on fatigue resistance at different wall thicknesses and transition radii,
where the basic FAT value of 90 corresponds to 100 % or a factor 1,00 for a thickness of 25 mm, taken
from the thickness effect. Table 2 is applicable for the nominal stress approach and translated data
8 © ISO 2017 – All rights reserved
to FAT is given in Table 3; note that r/t > 0,02 (see Reference [29]). The tables also have assumed a
“thinness” effect although this needs to be verified by tests.
0,,125 02
r 25
Δ∝σσand Δ∝
tt
For more details about the thickness effect, see Reference [36].
Table 2 — Maximal usable factor on fatigue resistance at different wall thickness, t, and
transition radius, r, for butt welds
Transition
Wall thickness
radius
r t
mm mm
6 12 25 50
0,2 1,19 1,03 1,00 0,87
0,3 1,25 1,09 1,00 0,87
0,5 1,33 1,16 1,00 0,87
1 1,45 1,26 1,09 0,95
2 1,58 1,38 1,19 1,04
3 1,66 1,45 1,25 1,09
Table 3 — Maximal usable FAT levels on fatigue resistance at different wall thickness, t, and
transition radius, r, for butt welds
Transition
Wall thickness
radius
r t
mm mm
6 12 25 50
0,2 100 90 90 71
0,3 112 90 90 71
0,5 112 100 90 71
1 125 112 90 80
2 140 112 100 90
3 140 125 112 90
NOTE FAT values always take the next lower level when the calculated
value is in between the steps.
6.2.2.3 Toe radius in fillet welds
The effect of the toe radius is directly covered by the effective notch and fracture mechanics method.
This effect is not covered in the nominal and structural hot spot stress method, and thus should be
assessed by the use of Table 4. The IIW fatigue resistance is FAT 63, 71 or 80 depending on the type
of fillet joint. Table 4 shows the relative factor on fatigue resistance at different wall thicknesses and
transition radii, where the basic FAT value corresponds to 100 % or a factor 1,00 for a thickness of
25 mm, taken from the thickness effect. The table is applicable for the nominal stress approach and
translated data to a basic FAT 80 is given in Table 5, note that r/t > 0,02 see Reference [29]. The tables
also have assumed a “thinness” effect although this needs to be verified by tests.
The assessment of the toe radius may be done after Reference [29]. The used exponent for the effect of
radius, r, was taken as 0,125 mm and that on wall thickness, t, as 0,3 (see Table 4 and Table 5):
0,,125 03
r 25
Δ∝σσand Δ∝
tt
Table 4 — Maximal usable factor on fatigue resistance at different wall thickness, t, and
transition radius, r, for fillet welds
Transition
Wall thickness
radius
r t
mm mm
6 12 25 50
0,2 1,37 1,11 1,00 0,81
0,3 1,44 1,17 1,00 0,81
0,5 1,53 1,25 1,00 0,81
1 1,67 1,36 1,09 0,89
2 1,82 1,48 1,19 0,97
3 1,92 1,56 1,25 1,02
NOTE FAT values always take the next lower level when the calculated
value is in between the steps.
Table 5 — Maximal usable FAT levels (using a basic FAT 80 fillet joint) on fatigue resistance at
different wall thickness, t, and transition radius, r, for fillet welds
Transition
Wall thickness
radius
r t
mm mm
6 12 25 50
0,2 100 80 80 63
0,3 112 90 80 63
0,5 112 100 80 63
1 125 100 80 71
2 140 112 90 71
3 140 125 100 80
NOTE FAT values always take the next lower level when the calculated
value is in between the steps.
The factors given in the Table 4 and Table 5 are theoretical values. The usable fatigue strength may be
limited by the effect of various weld imperfections. This is applicable especially for thin wall thicknesses
and in relation to the weld width (see also References [1] and [36]).
6.2.3 Effect of misalignment
6.2.3.1 General
Misalignment in axially loaded joints leads to an increase of stress in the welded joint due to the
occurrence of secondary shell bending stresses. The resulting stress is calculated by stress analysis or
by using the formulae for the stress magnification factor k . It can easily be seen that misalignment is a
m
very important factor in fatigue.
10 © ISO 2017 – All rights reserved
Some allowance for misalignment is already included in the tables of classified structural details
(Table 6). In particular, the data for transverse butt welds already include a misalignment of up to 10 %
of wall thickness dependent of the execution of the weld, which results in an increase of stress up to
30 %. For cruciform joints, a misalignment of up to 15 % of wall thickness is included, which leads to an
increase of stress up to 45 %. Only exceeding misalignments need to be considered. The effective stress
magnification factor k becomes:
m,eff
k
m,calculated
k =
m,eff
k
m,alreadycovered
For joints containing both linear and angular misalignment, both stress magnification factors should
be applied using the formula:
kk=+11− +−k 1
() ()
mm,axial m,angular
For angular misalignment, there is also a straightening effect. See more in Reference [28].
[1]
Table 6 — Consideration of stress magnification factors due to misalignment
Type of k Nominal stress Structural hot spot, effective notch approach and linear
m
analysis approach fracture mechanics
k already covered in k already covered in Default value of effective k
m m m
Type of welded joint
FAT class S-N curves to be considered in stress
Butt joint made in shop
a
1,15 1,05 1,10
in flat position
a
Other butt joints 1,30 1,05 1,25
a
cruciform joints 1,45 1,05 1,40
Fillet welds on one
b
1,25 1,05 1,20
plate surface
a
But not more than (1 + 2,5 × e /t), where e is the permissible misalignment and t is the wall thickness of
max max
loaded plate.
b
But not more than (1 + 0,2 × t /t), where t is the reference wall thickness of fatigue resistance curves.
ref ref
6.2.3.2 Misalignment in butt welds
The effects of misalignment may be assessed by the use of Table 6. A certain amount of misalignment is
already covered in the catalogue of structural details; for butt joints, it is k = 1,3 which is equivalent to
m
a misalignment e < 10 % of the thickness, t. A possible higher misalignment at smaller wall thicknesses
should be checked. For more results, see References [1], [28] and [36].
In Table 7, the effect of axial misalignment, e, is given by a factor to the basic fatigue resistance
FAT (MPa) on an as-welded butt weld allowing up to 10 % misalignment, thus already included in the
table. Note that the table is applicable for the nominal stress method only.
Table 7 — Maximal usable factor on fatigue resistance at different wall thicknesses and
misalignments for butt welds
Usable factor Wall thickness
e t
mm mm
6 12 25 50
0,5 1,04 1,16 1,23 1,26
1 0,87 1,04 1,16 1,23
2 0,65 0,87 1,05 1,16
5 — 0,58 0,81 1,00
10 — — 0,5
...
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 2017
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2017, Publié en Suisse
Droits de reproduction réservés. Sauf indication contraire, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée
sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie, l’affichage sur
l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à
l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Ch. de Blandonnet 8 • CP 401
CH-1214 Vernier, Geneva, Switzerland
Tel. +41 22 749 01 11
Fax +41 22 749 09 47
copyright@iso.org
www.iso.org
ii © ISO 2017 – Tous droits réservés
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
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
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.
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.
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
2 © ISO 2017 – Tous droits réservés
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.
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
aa
a
a
α
r
u
Légende
a hauteur de gorge
a* taille de soudure d'angle
a longueur de reprise
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 fonction de l'assemblage. Il s'agit là en substance de l'essence du concept appelé «conception destinée
à un but». Les assemblages en T soudés simples présentés en Figure 2 peuvent avoir de nombreuses
fonctions basées sur les forces appliquées, F1 à F4.
Si l'assemblage est chargé par le composant de force F1, la soudure est une soudure longitudinale sous
charge de cisaillement. Les soudures d'âme à bride dans les nervures de plaque sont des exemples
typiques de ce type de soudure. Dans de tels cas, les critères d'acceptation pour le pied de cordon sont
rarement importants, mais une rupture à partir de la racine de la soudure peut se produire.
Pour la soudure longitudinale chargée par F2, les positions de départ et d'arrêt de soudure deviennent
critiques, et les ondulations de la zone de liaison peuvent exercer une forte influence sur la résistance à
la fatigue. Si l'assemblage est chargé par le composant de force F3, la soudure est une soudure accessoire
non porteuse et la géométrie du pied de cordon à la zone de liaison de la plaque-support à la soudure
devient cruciale, c'est-à-dire de par la taille de reprise, le rayon de transition de pied de cordon et la
taille du caniveau. Les soudures chargées par F3 peuvent aussi être considérées comme modérément
exigeantes par rapport à la fabrication. Une soudure accessoire non porteuse n'est jamais critique dans
les cas de charges statiques, mais génère souvent une défaillance par fatigue.
Pour les soudures d'angle porteuses soumises à F4, la géométrie du pied de cordon à la zone de liaison
de l'attache à la soudure est critique. 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, la porosité
et la pénétration de soudure ont tous potentiellement une forte influence sur la résistance à la fatigue
de l’assemblage. Pour une soudure chargée avec une force F4, une fissure de fatigue du côté racine peut
également apparaître, suivant le degré de pénétration. Les soudures chargées avec une force F4 sont les
plus exigeantes, en termes à la fois de conception et de fabrication, puisque le côté du pied de cordon et
le côté racine sont à prendre en considération tous les deux.
5.3 Procédures d’évaluation de la fatigue
De nombreuses méthodes d'évaluation de la fatigue ont été adoptées en vue d'estimer la durabilité
de structures métalliques sous chargement cyclique. La modélisation par éléments finis fait partie
intégrante de la plupart des travaux de calcul et d'analyse, et les méthodes ont évolué à mesure que
les possibilités d'analyse sont devenues plus sophistiquées et que la vitesse et la capacité de mémoire
des ordinateurs ont augmenté. L'évaluation de la fatigue confronte les analystes à deux exigences
contradictoires. Le processus d'endommagement par fatigue lui-même est extrêmement localisé, ce
qui nécessite un maillage EF fin. D'autre part, les structures soudées sont souvent de grande taille
et géométriquement complexes, et elles ont de nombreux emplacements d'entrée de charge et des
conditions aux limites qui peuvent être difficiles à définir. La meilleure manière de satisfaire à ces
exigences est d'utiliser un modèle éléments finis. À cause de cette divergence, l'évaluation de la fatigue
est fréquemment l'étape la plus longue du processus de conception des structures soudées.
La résistance à la fatigue et la durée de vie en fatigue des assemblages soudés peuvent être évaluées
sur la base des essais ou analyse de fatigue à l'aide de la méthode de la contrainte nominale, la méthode
du point chaud, la méthode des contraintes/déformations d'entaille ou de simulations d’évolution des
fissures basées sur la mécanique de rupture élastique linéaire. Les différentes méthodes d'évaluation
[1]
sont décrites en détail dans les recommandations de l'IIW sur la fatigue et ne seront pas reproduites ici.
6 © ISO 2017 – Tous droits réservés
F₁
a) Soudure d'angle longitudinale de cisaillement b) Soudure d'angle longitudinale normale
sous charge sous charge
F₄
F₃
c) Soudure d'angle transversale normale non d) Soudure d'angle transversale normale
porteuse porteuse, fissure de pied de cordon
F₄
e) Soudure d'angle transversale porteuse, fissure de racine
NOTE Les lignes en pointillé indiquent des points de fatigue critiques.
Figure 2 — Détermination de classification d'assemblages basée sur la charge/fonction de
l'assemblage
5.4 Classification des défauts et caractéristiques des soudures
La désignation et la classification des défauts et caractéristiques des soudures dépend à la fois du
matériau soumis à assemblage (par exemple acier ou aluminium) et du procédé d'assemblage (par
exemple soudage par fusion, soudage avec pression, etc.).
Un système général de désignation pour les défauts de soudure et procédés connexes se trouve dans
[9]
l'ISO/TS 17845, qui couvre à la fois les matériaux métalliques et non métalliques. Une classification
des défauts géométriques dans les matériaux métalliques est donnée pour les soudages par fusion dans
[10] [11]
l'ISO 6520-1 et pour les soudages avec pression dans l'ISO 6520-2. Aucune de ces deux normes ne
comporte de classifications pour les défauts métallurgiques.
Les défauts géométriques de soudure pour le soudage par fusion dans l'ISO 6520-1 concernent les
processus de soudage à l'arc et par faisceau couvrant les matériaux métalliques: acier, nickel, titane,
aluminium et leurs alliages. Le document contient la classification applicable des défauts géométriques
pour ces processus de soudage, mais aucune information sur le niveau de qualité ou les limites
applicables n'est fournie.
Les limites d'acceptation pour les défauts définis dans l'ISO 6520-1 sont données en vue de définir
des niveaux de qualité. Pour les assemblages soudés à l'arc (à l'exception du soudage par faisceau)
[12]
en acier, nickel, titane et leurs alliages, les niveaux de qualité sont définis dans l'ISO 5817 et pour
[13]
l'aluminium et ses alliages, les niveaux de qualité sont définis dans l'ISO 10042. Pour les assemblages
soudés par faisceau d'électrons et par faisceau laser en acier, les niveaux de qualité sont définis dans
[14] [15]
l'ISO 13919-1 et pour l'aluminium et ses alliages, dans l'ISO 13919-2. Pour le soudage hybride
laser-arc des aciers, du nickel et des alliages de nickel, des niveaux de qualité pour les défauts sont
[17]
indiqués dans l'ISO 12932 .
Dans ces Normes internationales, qui définissent les niveaux de qualité et les limites, les classes de
qualité suivantes sont utilisées:
— la classe de qualité B désigne les exigences de qualité élevées;
— la classe de qualité C désigne les exigences de qualité moyennes;
— la classe de qualité D désigne les exigences de basse qualité.
Ces limites d'acceptation n'ont toutefois qu'une relation ténue avec la fatigue comme précisé ci-dessus.
Pour plus de détails sur cette question, voir la Référence [28].
6 Niveaux de qualité de soudure pour les structures soumises à des charges
de fatigue
6.1 Évaluation de la qualité de soudure
Les défauts et leur classification par groupes de qualité sont principalement régis par les préconisations
de codes adoptés. Une des normes pour la qualité de soudure est l'ISO 5817, une adoption de DIN 8563,
qui a été établie comme norme pour la communication entre les soudeurs et les contrôleurs. Le critère
de classification était la difficulté, le coût ou les efforts nécessaires à la fabrication ou au contrôle
par END. Ainsi, de par sa nature, l'ISO 5817 a des limites directement applicables aux problèmes de
fatigue; elle ne cadre pas avec les propriétés de fatigue et nécessite des règles d'application. La version
de 2014 comprend une Annexe C supplémentaire, qui donne certaines exigences concernant la fatigue.
La plupart des codes de conception dédiés spécifient un niveau de qualité général conformément à
l'ISO 5817 et donne une règlementation supplémentaire. Dans cette situation, les recommandations de
calcul de fatigue de l'IIW ont élargi le domaine des codes de calcul de fatigue traditionnels en décrivant
les propriétés de fatigue des assemblages contenant des défauts de soudure sur des bases scientifiques.
Après contrôle et détection d'un défaut de soudure, la première étape de la méthode d'évaluation
consiste à déterminer le type et l'effet du défaut par catégorisation comme indiqué dans le Tableau 1.
Si un défaut de soudure ne peut pas être clairement associé à un type ou à un effet de défauts tels
que répertoriés ici, il est recommandé de partir du principe qu'il est du type fissures. Les défauts qui
s'additionnent sont interprétés comme ajoutant leur impact sur la fatigue, par exemple un caniveau
et un petit rayon de pied de cordon. Les défauts qui s'opposent ne s'influencent pas mutuellement, et
seront donc en compétition pour représenter le défaut le plus critique, par exemple un pore interne et
un petit rayon de pied de cordon.
8 © ISO 2017 – Tous droits réservés
Tableau 1 — Catégorisation et méthode d'évaluation pour défauts de soudure
Effet du défaut Type du défaut Évaluation
Augmentation du niveau géné- Formules pour concentration de
Défaut d'alignement
ral de contrainte contrainte effective
Additif Défauts de forme de soudure, caniveau Tableaux fournis
Effet
d'entaille
Porosité et inclusions ne se trouvant pas
Compétitif Tableaux fournis
local
à proximité de la surface
Fissures, manque de fusion et de péné-
Défaut de type fissures tration, tous types de défauts autres que Mécanique de rupture
ceux donnés ici
6.2 Exigences pour une qualité de soudure de niveau production
6.2.1 Généralités
Pour les assemblages à l’état brut de soudage, la résistance à la fatigue est donnée par une classe dite
FAT (MPa). Il s'agit de l'étendue de contraintes à 2 × 10 cycles pour une certaine probabilité de survie,
voir FAT dans la nomenclature ci-dessus. L'espacement des courbes S-N de la grille de résistance
correspond à un coefficient de 10 = 1,122, et les courbes sont donc disposées d'après certains paliers
définis. Les autres valeurs de résistance à la fatigue dans ce document donnent également les données
de la même manière pour les cycles de 2 × 10 .
6.2.2 Effet de la géométrie de pied de cordon
6.2.2.1 Généralités
Plusieurs méthodes d'évaluation ne prennent pas en compte les effets importants de la géométrie de
pied de cordon. Il s'agit des méthodes de contraintes nominales et de contraintes géométriques au point
chaud, qui prennent en compte les géométries de pied de cordon des éprouvettes qui ont été soumises
à essai pour l'établissement des codes ou des recommandations. Il en résulte une large dispersion des
résultats expérimentaux. Il existe deux méthodes d'évaluation qui permettent de tenir compte des
effets: la méthode des contraintes d’entaille effectives et l'évaluation par mécanique de rupture.
Les paramètres prépondérants pour les propriétés de fatigue défaillant à partir du pied du cordon sont
le rayon du pied de cordon, r, l’angle de transition de la soudure, α, la gorge de soudure et les épaisseurs
de paroi des plaques assemblées (voir la Figure 1).
Il a été tenté à plusieurs reprises de dériver les propriétés de fatigue directement à partir de la transition
du pied du cordon de soudure. Pour ces calculs, trois paramètres géométriques ont été utilisés, à savoir
le rayon de pied de cordon, l'angle de pied de cordon et l'épaisseur de la paroi.
Les formules principalement utilisées pour l'effet d'entaille augmentant la contrainte du pied de cordon
ont été élaborées par les Références [18], [19] et [20]. Lors du calcul d'un facteur d'entaille, K , on doit
t
prendre en compte le fait que la transition de K à K dépend du gradient de contraintes dans le sens
t f
de l'épaisseur, et donc également de l'épaisseur de la paroi, où K est le coefficient de concentration de
t
contrainte géométrique, et K est le coefficient de concentration de contrainte effectif pour la fatigue.
f
Étant donné que les rayons de pied de cordon (r) dépendent principalement du mode opératoire de
soudage en atelier, et sont indépendants de l'épaisseur de la paroi, le rapport entre le rayon et l'épaisseur
de la paroi (r/t) varie, ce qui entraine donc une dépendance des propriétés de fatigue de l'épaisseur
de la paroi, appelée effet d'épaisseur. Les méthodes de contraintes au point chaud nominales et de
structure ne prennent pas en compte les paramètres géométriques du pied de cordon. Elles nécessitent
une compensation supplémentaire pour l'effet d'épaisseur de la paroi. Les contraintes d’entaille et la
mécanique de rupture tiennent compte de cet effet.
Les valeurs de résistance à la fatigue pour la méthode des contraintes d’entaille effectives (avec rayon
modèle de, par exemple, 1 mm) ont été directement dérivées du re-calcul de données expérimentales;
ainsi l'effet de la transition de K à K est implicitement pris en compte. D'après les calculs de propagation
t f
de fissure en mécanique de rupture, la baisse de contrainte dans le sens de l'épaisseur réduit le taux
d'évolution des fissures en conséquence, et prend donc en compte l'effet du gradient de contraintes.
6.2.2.2 Rayon de pied de cordon dans les soudures bout à bout
L'effet du rayon de pied de cordon est directement couvert par la méthode d’entaille effective et
de mécanique de rupture. Cet effet n'est pas couvert dans la méthode de contraintes au point chaud
nominales et de structure, et leurs effets pourraient donc être estimés en utilisant le Tableau 2 et le
Tableau 3.
L'évaluation du rayon de pied de cordon peut être effectuée d'après la Référence [29]. L'exposant utilisé
pour l'effet du rayon, r, a été fixé à 0,125 et celui de l'épaisseur de la paroi, t, à 0,2.
Le Tableau 2 montre le facteur relatif sur la résistance à la fatigue à différentes épaisseurs de paroi et
différents rayons de transition, où la valeur FAT de base de 90 correspond à 100 % ou un facteur de 1,00
pour une épaisseur de 25 mm, dérivée de l'effet d'épaisseur. Le Tableau 2 est applicable à l’approche des
contraintes nominales et les données transformées vers FAT sont fournies dans le Tableau 3; à noter
que r/t > 0,02 (voir la Référence [29]). Les tableaux postulent également un effet de «minceur», qu'il est
néanmoins nécessaire de vérifier par des essais.
0,,125 02
r 25
Δ∝σσet Δ∝
tt
Pour plus de détails sur l'effet de minceur, voir la Réfé
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.
Loading comments...