Dans le monde d’aujourd’hui, l’acier est un matériau extrêmement recherché pour de nombreuses applications car il possède une résistance et une ténacité optimales. C’est pourquoi les travaux de construction, le transport de diverses matières et plusieurs applications d’ingénierie utilisent des composants en acier. En outre, un large éventail d’installations de production d’acier et de vastes matières premières rendent l’utilisation de l’acier très rentable. La facilité de la production secondaire de l’acier a également une incidence sur la demande des clients, car la fabrication de l’acier à partir de matériaux de ferraille réduit le nombre de dépenses puisque le processus de recyclage minimise les besoins en matières premières et en processus. Ainsi, le recyclage ou la métallurgie secondaire des aciers permet de produire une quantité énorme d’acier qui réduit le coût des pièces en acier.
Fabrication de l’acier
Le processus de fabrication fait généralement référence à une combinaison de différentes pièces en utilisant plusieurs étapes. Les produits nouvellement fabriqués peuvent être définis comme des produits à valeur ajoutée où la combinaison de sous-produits crée un profit pour le fabricant. La fabrication de l’acier comprend généralement des étapes bien définies telles que la coupe, le cintrage, le façonnage, le soudage ou l’assemblage.
Le découpage ou la combustion des aciers sont réalisés à l’aide d’outils de coupe très durs ou de chalumeaux à oxygène. La méthode de découpage la plus courante est le cisaillage, où la matière première est coupée en la plaçant sur une matrice. La matière première placée est pressée par un cutter ou un poinçon qui sépare la matière première en un nombre de pièces souhaité. Par conséquent, les aciers cisaillés les plus courants sont en forme de feuille ou de plaque. Le travail de cisaillement couvre généralement les processus de découpage et de perçage. Pour la découpe des pièces en acier, on utilise aussi couramment des scies à ruban. Une bande ou un disque abrasif trempé tourne contre la matière première et dimensionne le matériau en acier. Les chalumeaux coupeurs sont également utilisés pour couper des aciers de grande section comme les brames. Les torches coupent efficacement les brames en peu de temps, mais les températures extrêmes peuvent poser des problèmes car les zones de coupe peuvent également être définies comme les zones affectées par la chaleur. Le mode de refroidissement des pièces découpées modifie la microstructure de l’acier, ce qui affecte directement les propriétés mécaniques de l’acier. Les chalumeaux coupeurs peuvent également être commandés par ordinateur (type CNC) pour couper rapidement de nombreuses pièces. Ces torches CNC utilisent généralement le gaz naturel comme source d’énergie, mais les découpeurs laser et les jets d’eau sont également très utiles pour les travaux rapides.
Le cintrage des aciers se fait par des machines à presser ou des travaux de martelage. L’angle souhaité de l’acier peut être obtenu en forgeant manuellement l’acier ou en utilisant des presses plieuses et des cintreuses de tubes. La contrainte pendant le cintrage de l’acier est importante car des forces excessives pendant le pliage peuvent provoquer des détériorations ou la zone pliée peut nécessiter des processus de recuit supplémentaires.
Le cintrage des aciers se fait par des machines à presser ou des travaux de martelage. L’angle souhaité de l’acier peut être obtenu en forgeant manuellement l’acier ou en utilisant des presses plieuses et des cintreuses de tubes. La contrainte pendant le cintrage de l’acier est importante car des forces excessives pendant le pliage peuvent provoquer des détériorations ou la zone pliée peut nécessiter des processus de recuit supplémentaires.
Le formage des pièces en acier crée généralement des pièces volumineuses ou encombrantes. Lors des processus de formage, il est généralement impossible d’obtenir un enlèvement de matière car la procédure de formage fonctionne avec la masse de matériau existante. Par conséquent, des matrices ou des poinçons de différentes tailles peuvent être utilisés pour les processus de formage. L’emboutissage est un procédé de formage très courant qui permet de fabriquer des formes coniques ou cylindriques.
Les composants en acier formés sont finalement assemblés pour obtenir la pièce en acier souhaitée. L’étape d’assemblage est généralement réalisée par des méthodes de soudage ou de brasage.
Ateliers de fabrication d’acier
Les produits fabriqués peuvent être au nombre de plusieurs et cela oblige les installations à se spécialiser dans les produits. C’est pourquoi les installations qui fabriquent le ou les types spéciaux de pièces souhaitées sont appelées ateliers de fabrication. Les ateliers de fabrication se concentrent souvent sur les dessins techniques des produits demandés et fabriquent les pièces à partir de ces dessins. Les dessins techniques doivent être cohérents avec la capacité de production (le nombre de machines ou la taille des matrices et des poinçons) des ateliers de fabrication, sinon les dimensions des pièces produites peuvent être erronées. Les ateliers de fabrication se composent de plusieurs types de machines. Au cours de la fabrication, on utilise à la fois des machines et de la main-d’œuvre. L’avantage le plus important des ateliers de fabrication est la facilité de contrôle par la demande. Ainsi, les ateliers de fabrication effectuent de nombreuses étapes de la production dans la même installation, le demandeur peut facilement contrôler et modifier la fabrication des pièces souhaitées.
Fig 1. Welding process during the fabrication of a pipe spool. Retrieved from: Smith, C. (2019).7 March 2020, https://www.engineeredmechanicalsystems.com/tag/budgeting/
Matières premières pour la fabrication de l’acier
La fabrication de pièces en acier implique de nombreux types de matières premières. Une sélection appropriée des matières premières pour des objectifs spécifiques peut être une question de vie ou de mort car les matières premières affectent fortement la résistance, la rigidité et la ténacité de la pièce fabriquée. Les tôles, les pièces moulées, les raccords, les pièces de quincaillerie, les métaux déployés et les métaux profilés sont les matières premières les plus couramment utilisées dans les processus de fabrication.
La coulée est extrêmement souhaitable pour la production de géométries complexes, car le métal fondu peut être refroidi et solidifié dans un moule en sable de la forme souhaitée. Le métal fondu est choisi spécifiquement pour différentes applications, mais les métaux les plus courants sont les aciers doux et les aciers inoxydables. En outre, l’époxy, le béton d’argile et le fondant sont utilisés comme matière première lors de la coulée.
Les feuilles formées et/ou déployées sont également utilisées comme matières premières dans les processus de fabrication. La tôle est déployée par étirement à l’aide d’une machine à rouler. La tôle déployée est très utile pour la fabrication des meubles ou des portes. En outre, la tôle peut être façonnée en trois dimensions en utilisant différentes méthodes de formage.
Fig 2. Stainless steel coils are used as raw materials for fabrication. Retrieved from Hot Rolled Steel Coil, Hot Rolled Stainless Steel Coils Exporters. (2020). 7 March 2020, http://www.aakashsteel.net/stainless-steel-coils.htm
Conception et ingénierie de la fabrication de l’acier
La conception et la compréhension de la conception des pièces souhaitées sont les étapes les plus cruciales des processus de fabrication. Un dessin approprié de la pièce désirée doit être fait par le demandeur. Le dessin technique de la pièce en acier doit être compréhensible et les dimensions de la pièce en acier doivent être indiquées. Les étapes de la fabrication doivent être conçues correctement. L’ingénierie de la fabrication a une incidence directe sur la qualité du produit final, car elle assure l’ensemble de la production, de la fabrication initiale aux opérations de finition. Les méthodes d’assemblage doivent être choisies en tenant compte des propriétés mécaniques de la pièce finale souhaitée. Les paramètres de production doivent être contrôlés avant la fabrication et pendant la fabrication.
Produits finis courants fabriqués en acier
Les produits finaux de la fabrication de l’acier sont nombreux en raison de la forte demande de composants en acier. Toutefois, un groupe de produits finaux très recherché peut être classé comme suit : tronçon de tuyauterie, aciers de construction, équipement sous pression et pièces de machines métalliques.
Les tronçons de tuyauterie sont les pièces qui sont utilisées pour l’intégration de tout un système de tuyauterie. Par conséquent, les composants des tronçons peuvent être fabriqués sous plusieurs formes et angles. Les systèmes de tuyauterie courants sont constitués de différents tés, coudes et brides en plus de la tuyauterie principale. Ces pièces sont fabriquées par des méthodes de soudage et de cintrage. Le dimensionnement des tronçons est effectué par les machines à découper. L’assemblage des composants est réalisé en fonction du domaine d’application du système de tuyauterie. Les tronçons peuvent varier en fonction de leurs propriétés mécaniques spécifiques. Ainsi, le type de brides, de tés ou de coudes est choisi en fonction des conditions de fonctionnement.
La fabrication des aciers de construction est en principe très similaire à celle des tronçons Un dessin technique complet du produit souhaité est réalisé par le demandeur ou le vendeur. Après identification du dessin technique, le calibrage du métal brut est initialisé. Lors de l’étape de calibrage ou de coupe, l’acier brut est coupé par cisaillement ou sciage. Les machines de découpe peuvent être des découpeuses laser, des jets d’eau ou des scies à ruban. Lors de la découpe de l’acier brut, un perçage est également effectué si nécessaire. Les tubes ou les pièces droites peuvent être façonnés selon les angles souhaités. Ces opérations de mise en forme sont réalisées par cintrage ou par martelage. En outre, les applications qui nécessitent moins de force de formage peuvent être réalisées manuellement, tandis que pour les applications nécessitant une force extrême, des machines à cintrer sont utilisées. Après la méthode de mise en forme, les pièces fabriquées sont assemblées pour en faire une partie intégrante. Des machines à souder sont utilisées pour un assemblage complet des pièces fabriquées. En outre, un contrôle adéquat du soudage doit être maintenu par les contrôleurs, sinon l’acier peut se rompre dans les zones soudées. Après le contrôle de l’assemblage, une dernière opération de finition est nécessaire pour obtenir la forme souhaitée de l’acier. Ici, les opérations d’usinage sont réalisées à l’aide de fraiseuses et de tours.
Les équipements sous pression sont fabriqués conformément à la section 7 des normes ASME BPVC. Le processus de fabrication des équipements comporte des étapes similaires avec les aciers de construction et les tronçons de tuyauterie, alors que le matériau de départ est généralement utilisé comme tôle d’acier. La tôle d’acier est découpée aux dimensions souhaitées et usinée. En outre, la méthode de soudage est appliquée aux pièces sectionnées. Les poutres de soudure sont refroidies et un sablage est effectué si nécessaire. Pour la protection contre la corrosion, des colorants sont utilisés pour peindre la surface.
Fig 3. Fabrication of a pressure vessel. Retrieved from: Hufford, T. (2020). Welding prep in pressure vessel fabrication. 8 March 2020, https://www.thefabricator.com/thefabricator/article/cuttingweldprep/welding-prep-in-pressure-vessel-fabrication
Les pièces de machines sont utilisées dans plusieurs industries, de l’agriculture à l’automobile. Ces pièces sont fabriquées par les opérations d’usinage pour parvenir à la géométrie complexe souhaitée des composants. L’usinage et le perçage CNC sont couramment utilisés pour la fabrication. En outre, pour les applications qui nécessitent une dureté de surface accrue, différentes méthodes de revêtement de surface et de durcissement sont appliquées.
Les méthodes de fabrication de l’acier:
Il existe de nombreuses applications utilisées pour les processus de fabrication. Une tôle ou une brame d’acier est travaillée selon différentes méthodes, à savoir le travail à froid, les opérations d’usinage, le traitement thermique et le revêtement.
Le travail à froid se réfère généralement à un mécanisme de renforcement des aciers. Lors du travail à froid, le nombre de dislocations augmente et ces dislocations se verrouillent les unes les autres. Ces mécanismes de verrouillage empêchent le mouvement des dislocations, ce qui signifie que l’acier est renforcé. Le cintrage est un exemple courant de travail à froid. L’acier brut est cintré à l’aide de machines à cintrer et mis en forme selon la forme souhaitée. Pendant le processus de cintrage, l’acier est à la fois déformé plastiquement et renforcé. Le cintrage peut être classé en deux catégories : le cintrage de sections et le cintrage de tôles. Le cintrage de section couvre le façonnage des brames ou des profilés en acier dans des rouleaux verticaux. La brame d’acier se déplace à travers les rouleaux et à chaque rouleau, la brame est cintrée pas à pas. La seule différence entre le cintrage de profilés et le cintrage de tôles est l’orientation des rouleaux. Dans le cintrage des tôles, les rouleaux sont placés horizontalement en raison de la forme de la matière première (tôle d’acier). Une autre méthode courante de travail à froid est le pressage. Dans la méthode de pressage, l’acier brut est placé entre une matrice et un poinçon. La matrice et le poinçon ont la forme souhaitée. Par conséquent, une force externe est appliquée au poinçon et l’acier est pressé entre le poinçon et la matrice. Enfin, l’acier est mis en forme par la matrice et le poinçon. L’emboutissage est une autre méthode de travail à froid des aciers. Dans la méthode de l’étirage, on tire généralement sur un tube d’acier et on lui ouvre un orifice qui rend le tube plus fin. Le procédé d’étirage à froid est très souhaitable pour les applications qui visent à fabriquer des fils d’acier minces.
Fig 4. A schematic of cold drawing. Retrieved from Corporation, O. (2020). The Cold Drawing Process for Steel Bars and Wire.8 March 2020, https://www.precisionkidd.com/technology.htm
Les opérations d’usinage des aciers peuvent être classées en tournage, perçage et fraisage. Dans le tournage, la pièce d’acier est placée sur une barre rotative. Les tours sont généralement utilisés pour les opérations de tournage. La pièce d’acier tourne pendant qu’une fraise se déplace sur l’acier dans différentes rotations. Tous les mouvements, angles et rotations de la fraise peuvent être organisés par la commande numérique par ordinateur (CNC). Différentes formes d’outils de coupe peuvent être utilisées pour différentes applications telles que l’ébauche, la finition et le dressage. Une autre application d’usinage est le perçage. Le perçage maintient un trou sphérique dans le corps en acier. Habituellement, une perceuse est forcée contre un corps en acier en rotation et crée un abri dans le corps. Le point le plus important des opérations de perçage est la formation de bavures excessives et d’arêtes d’accumulation. Ces bavures excessives peuvent interrompre le processus de mise en forme. La dernière opération d’usinage est le fraisage. Les fraiseuses sont constituées d’extrémités rotatives à points multiples. Ces extrémités rotatives effectuent l’enlèvement de matière du corps en acier.
Fig 5. A milling operation. Retrieved from: Machining Processes: Turning, Milling, and Drilling – Trimantec. (2020). 8 March 2020, https://trimantec.com/blogs/t/machining-processes-overview
L’une des étapes les plus importantes des méthodes de fabrication de l’acier est le traitement thermique des aciers. Le traitement thermique est appliqué à de nombreuses fins, mais l’objectif principal est d’obtenir les propriétés optimales. Le traitement thermique comprend le chauffage, le trempage et le refroidissement des aciers. Les mécanismes de traitement thermique créent des grains plus fins qui assurent de meilleures propriétés mécaniques. De plus, lors du travail à froid des aciers, les tensions internes induites augmentent. Ces contraintes internes empêchent la poursuite du formage des brames ou des tôles d’acier. Pour réduire les contraintes internes, on procède à un recuit. Pendant le processus de recuit, l’acier se ramollit et les processus de mise en forme deviennent plus faciles. De nombreuses procédures de traitement thermique peuvent être effectuées pour plusieurs usages et plusieurs types d’aciers.
Une autre méthode de fabrication est le soudage. Le soudage est la méthode la plus courante pour assembler les aciers. La métallurgie des zones de soudage est en principe très simple. La microstructure du métal d’apport est similaire à celle du métal coulé. Les zones voisines sont appelées zones affectées par la chaleur (HAZ), et la microstructure de ces zones est similaire à celle des zones traitées thermiquement. Plusieurs sources d’énergie peuvent être utilisées pour les opérations de soudage, mais les plus populaires sont la flamme de gaz, l’arc électrique et les sources laser.
Les procédés de revêtement sont très importants pour le traitement de l’acier. Les revêtements de surface permettent d’améliorer la tribologie des surfaces. De plus, les revêtements de surface développent la qualité de la surface en éliminant les bavures ou tout matériau supplémentaire. Le sablage, la galvanisation et le revêtement par poudre sont les méthodes de revêtement les plus courantes. Le sablage assure une surface lisse en éliminant les bavures superficielles. L’élimination de la matière supplémentaire de la surface améliore également la résistance à la fatigue et à la corrosion de l’acier. Une surface lisse est également obligatoire pour une bonne peinture. Lors du sablage, de fines particules rigides sont frappées à la surface et éliminent les particules indésirables. La galvanisation est la méthode de protection contre la corrosion la plus courante, où la surface de l’acier est recouverte d’une couche de zinc. La fine couche de zinc protège l’acier de l’environnement corrosif. La dernière méthode est celle du revêtement par poudre, où de très fines particules de poudre sont soufflées à la surface et durcies. La méthode de revêtement par poudre utilise un processus électrostatique dans lequel de fines particules sont attirées à la surface de l’acier et recouvrent la surface de l’acier.
Normes et certifications de fabrication de l’acier: Le processus de fabrication de l’acier comprend plusieurs étapes et des étapes entières doivent être contrôlées en raison de normes appropriées. Le processus de fabrication des aciers de construction est contrôlé par la norme AISC 207-16. Le processus de fabrication des tronçons de tuyauterie est généralement contrôlé par les normes ASME B31.3. En outre, la section 7 des normes ASME BPVC est régie par les fabricants d’équipement sous pression. Pour les différentes opérations d’usinage telles que le perçage, le tournage et le fraisage, plusieurs normes existent et les opérateurs doivent ajuster les opérations en fonction de ces normes.
Contrôle de la qualité et assurance de la fabrication
Le contrôle de la qualité de l’acier produit peut-être préjudiciable aux entreprises dans les pires des cas. C’est pourquoi une procédure de contrôle de la qualité décente est vitale pour les ateliers de fabrication. Le contrôle du produit est effectué en utilisant les normes appropriées pour le produit. Le contrôle peut être manuel ou assisté par des machines. Le contrôleur utilise plusieurs techniques pour différents problèmes. Pour la détection des fuites ou des piqûres de corrosion, les tests non destructifs sont très utiles. La radiographie, les ultrasons, le magnétisme et le ressuage sont les contrôles non destructifs les plus courants. Il est important qu’avant l’initialisation de chaque test, un nettoyage de surface soit extrêmement nécessaire. Les échecs de soudage peuvent également être délétères et un examen approprié des faisceaux soudés est très crucial pour la fabrication. Les problèmes au cours de la fabrication doivent être contrôlés par les experts et la précaution doit être prise en raison des normes.
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Références
- All You Need to Know About the Structural Steel Fabrication Process. (2020). Retrieved 8 March 2020, from http://northern-weldarc.com/need-know-structural-steel-fabrication-process/
- What Are the Most Common Metal Fabrication Processes and What Are the Applications?. (2020). Retrieved 8 March 2020, from https://www.tuckey.com/blog/common-metal-fabrication-processes-applications/
- Difference Between Manufacturing & Fabrication | Alpha. (2020). Retrieved 8 March 2020, from https://www.alphamanufacturing.co.uk/blog/what-is-the-difference-between-manufacturing-and-fabrication
- Continelli, A. (2020). What is metal fabrication and where is the industry headed?. Retrieved 8 March 2020, from https://www.thefabricator.com/thefabricator/article/shopmanagement/what-is-metal-fabrication-and-where-is-the-industry-headed-
- Song, L., & AbouRizk, S. M. (2006). Virtual Shop Model for Experimental Planning of Steel Fabrication Projects. Journal of Computing in Civil Engineering, 20(5), 308–316. doi:10.1061/(asce)0887-3801(2006)20:5(308)
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- (2020). Retrieved 8 March 2020, from https://www.teslacad.com.au/blog/complete-guide-of-structural-steel-fabrication-process/
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- Machining Processes: Turning, Milling, and Drilling – Trimantec. (2020). Retrieved 8 March 2020, from https://trimantec.com/blogs/t/machining-processes-overview
