Soudage/Énergie de soudage

LE SOUDAGE

Sommaire

Cet ouvrage fait partie de la collection Technologie

Sources d'énergie électrique

Arc électrique

Beaucoup de procédés de soudage utilisent l'arc électrique comme source d'énergie de fusion car la chaleur de l'arc peut être facilement concentrée et maîtrisée. La physique du transfert de métal à travers un arc électrique a été largement étudiée au cours du XX^e siècle. L'arc électrique consiste en un flot relativement élevé de courant électrique maintenu à travers une colonne de gaz ionisé appelé plasma.

La puissance d'un arc peut être exprimée en unités électriques comme le produit de la tension aux bornes de l'arc par le courant passant à travers l'arc. Pour des valeurs données de 23 volts de tension d'arc et de 200 ampères d'intensité, la puissance calculée de l'arc électrique est de 4600 watts. La température de l'arc peut atteindre 3.000°C. Toute cette puissance brute engendrée par l'arc électrique n'est pas utilisée de manière effective dans les procédés de soudage. Le taux d'efficacité d'utilisation de la chaleur peut varier de 20 à 90 % selon les propriétés de convection, de conduction, de radiation ainsi que les projections responsables de ces pertes de chaleur. Par exemple, le taux d'efficacité d'utilisation de la chaleur est relativement faible en soudage TIG, moyen en soudage à l'électrode enrobée et élevé à l'arc sous flux pulvérulent.

L'utilisation d'un arc plasma (ou d'une torche plasma) comme source de chaleur est plus récente. L'arc plasma s'obtient par constriction d'un arc électrique dans un vortex de gaz plasmagène (hélium, argon) créé par une tuyère intégrée aux torches plasma. C'est donc au moyen de forces mécaniques exercées sur l'arc électrique que celui-ci passe à l'état de plasma. La température de l'arc plasma peut atteindre 25.000°C.

L'effet joule

L'effet Joule est utilisé dans différents procédés de soudage comme les procédés de soudage par résistance, "électrogas" et "électroslag". Dans le cas du soudage par résistance l'énergie mise en œuvre s'exprime comme suit :

H=I^{2}.R.t\;

avec :

H=\;

Énergie générée en joules ou watts.seconde,

I=\;

Courant électrique en ampères,

R=\;

Résistance électrique au droit des électrodes en ohms,

t=\;

Temps pendant lequel le courant électrique est établi entre les électrodes.

Dans le cas du soudage "électrogas" ou "électroslag" l'énergie mise en œuvre s'exprime comme suit :

H=E.I.t\;

avec :

H=\;

Énergie générée en joules ou watts.seconde,

E=\;

Tension de soudage, en volts, aux bornes de la résistance formée par le bain en fusion,

I=\;

Intensité, en ampères, traversant le bain de fusion,

t=\;

Temps pendant lequel le courant électrique est établi.

Sources d'énergie chimique

La flamme

Dans le cas du soudage à la flamme de l'acier, celle-ci doit posséder deux caractéristiques qui sont :

La capacité à atteindre la température de fusion, et
La capacité à maîtriser l'atmosphère environnant le bain de fusion.

Différents gaz combustibles sont utilisés, les flammes résultantes peuvent être classées selon le maximum de température atteint par une flamme neutre :

Nature du gaz		Flamme neutre
Nom	°C Max	°C
Acétylène	3102	3100
MAPP	2902	2600
Propylène	2857	2500
Hydrogène	2871	2390
Propane	2777	2450
GNL/méthane	2742	2350

La réaction de combustion de l'acétylène dans l'oxygène se produit en deux étapes. La première réaction se produit juste en sortie du bec du chalumeau dans le cône lumineux bleuté (dard) de la flamme. Elle est le résultat de la combustion du mélange oxygène/acétylène tel qu'effectué par les réglages du chalumeau. Cette réaction est oxydante, le dard ne doit jamais être maintenu en contact avec la pièces à souder.

C₂H₂ + O₂ → 2CO + H₂ + 448 kJ/mol

Les produits de combustion issus de la première réaction brûlent dans l'oxygène de l'air pour former le panache de la flamme. Selon les réglages du chalumeau le panache peut être oxydant, neutre ou réducteur. La température maximum de la flamme se situe à 2 mm du sommet du dard, dans le panache de la flamme.

4CO + 2H₂ + 3O₂ → 4CO₂ + 2H₂ + 812 kJ/mol

La chaleur totale fournie par la flamme oxyacétylèninque est de 1260 kJ/mol. La première réaction fournit 36% de la chaleur totale.

La réaction exothermique

La soudure exothermique regroupe tous les procédés qui utilisent une source de chaleur obtenue par une réaction chimique exothermique créée entre les bords de pièces à souder. L'exemple le plus représentatif de l'utilisation de ce procédé est le raboutage de rails de chemins de fer.

Les réactions exothermiques les plus couramment réalisées sont les suivantes :

A base d'oxydes de fer et d'aluminium :

3Fe₃O₄ + 8Al → 9Fe + 4Al₂O₃ + 3010 kJ/mol (3088°C)

3FeO + 2Al → 3Fe + Al₂O₃ + 783 kJ/mol (2500°C)

Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃ + 759 kJ/mol (2960°C)

A base d'oxydes de cuivre et d'aluminium :

3CuO + 2Al → 3Cu + Al₂O₃ + 1152 kJ/mol (4866°C)

3Cu₂O + 2Al → 6Cu + Al₂O₃ + 1089 kJ/mol (3138°C)

A base de l'oxyde de nickel et d'aluminium :

3NiO + 2Al → 3Ni + Al₂O₃ + 864 kJ/mol (3171°C)

A base de l'oxyde de chrome et d'aluminium :

Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃ + 2287 kJ/mol (2977°C)

A base d'oxydes de manganèse et d'aluminium :

3MnO + 2Al → 3Mn + Al₂O₃ + 1686 kJ/mol (2427°C)

3MnO₂ + 4Al → 3Mn + 2Al₂O₃ + 4356 kJ/mol (4993°C)

Voir aussi

< Soudage par friction — Thermique du soudage >