Soudage/Généralités

LE SOUDAGE Sommaire Généralités Conception d'un assemblage soudé Soudage par friction Soudage par aluminothermie Énergie de soudage Thermique du soudage Métallurgie du soudage Examens, essais et mesures Cet ouvrage fait partie de la collection Technologie

Histoire du soudage

L’origine du soudage remonte à l’âge des métaux :

• à l’Âge de bronze, on soudait à la poche ;
• à l’Âge du fer, on soudait à la forge.

L'exemple le plus ancien consiste en des petites boîtes circulaires en or datant de l'Âge du bronze : le joint est constitué de deux surfaces se recouvrant et assemblées par chauffage et martelage. Il a été estimé que ces boîtes ont été fabriquées il y a plus de 2 000 ans. Pendant l'Âge du bronze, les Égyptiens et les peuples de l'est méditerranéen ont appris à assembler par soudage des pièces en fer. Plusieurs outils datant approximativement de 3 000 ans ont été retrouvés.

Pendant le Moyen-âge, l'art des chaudronniers et forgerons s'est développé et plusieurs objets en fer ont été produit en utilisant la technique du martelage/soudage. Jusqu’au milieu du XIX^e siècle, les procédés de soudage évoluent peu. Vers 1850, on commence à se servir du gaz pour chauffer les métaux à souder.

Fin XIX^e siècle : mise en œuvre de nouveaux procédés :

• le soudage oxyacétylénique ;
• le soudage aluminothermique ;
• le soudage à l’arc électrique,
  • soudage à l'électrode enrobée : inventé en 1904 par Oscar Kjellberg, ingénieur suédois, qui fonde la société ESAB,
  • soudage à l'électrode réfractaire sous atmosphère protectrice (TIG) : inventé en 1944,
  • soudage à l'électrode fusible semi-automatique sous atmosphère gazeuse protectrice ou active (MIG, MAG) : inventé en 1947 ;
• le soudage par résistance.

Tous ces procédés connaîtront leur essor industriel vers 1920.

Principe général du soudage

Principe du brasage :

1. Chauffage des pièces.
2. Fusion du métal d'apport au contact des pièces chaudes.

Dans le grand public, on connaît en général le brasage du cuivre utilisé en plomberie. Il s'agit de brasage dit « fort ». La figure ci-contre représente un raccord : deux tuyaux sont emboîtés l'un dans l'autre. L'extrémité du tuyau mâle est enduite d'une pâte appelée « flux », puis les tuyaux sont emboîtés et chauffés au chalumeau. Une fois les pièces portées au rouge, on retire la flamme puis on approche la baguette de métal d'apport.

Le métal d'apport fond au contact des pièces chaudes et pénètre entre les tuyaux par capillarité, aidé par le flux. Sur les tuyaux de grand diamètre, il n'est pas toujours possible d'avoir une température homogène, ce qui oblige à progresser autour du raccord, le chalumeau précédant la baguette.

Le brasage a son propre wikilivre, ce sujet ne sera donc évoqué que succinctement.

Soudage en angle :

1. Métal de base.
2. Cordon de soudure.
3. Source d'énergie.
4. Métal d'apport.

Le soudage, lui, consiste à faire fondre les pièces à assembler, le métal de base, ainsi qu'un métal d'apport sous forme de fil ou de baguette. Le chauffage peut être assuré par différentes sources d'énergie, les plus courantes étant la flamme (chalumeau) et l'arc électrique (éclair entre une électrode et le métal), mais on peut aussi utiliser l'effet joule, l'induction électromagnétique, l'échauffement par friction, un laser, … Le chauffage doit être suffisant pour faire fondre les métaux (température du liquidus) :

• bronze : 900 à 1 085 °C (selon la composition) ;
• acier : 1 380 à 1 538 °C (1 450 °C pour l'AISI 321/X6CrNiTi18-10, 1 400 °C pour l'AISI 316L/X2CrNiMo17-12-2) ;
• alliage d'aluminium : 500 à 660 °C ;
• alliage de nickel : 940 à 1 660 °C (1 350 °C pour de l'Inconel 625, 1 636 °C pour de l'Inconel 718, …) ;
• aliage de titane : 950 à 1 670 °C (1 670 °C pour le TA6V).

À partir d'une certaine épaisseur, il est nécessaire de biseauter le bord des tôles — faire des chanfreins — afin d'avoir une bonne pénétration de la soudure, sinon, on effectue juste un « collage ». Le chanfreinage se fait à la meule ou au chalumeau d'oxycoupage, ou bien avec une machine dédiée (chanfreineuse).

On peut faire plusieurs passes de soudure afin d'avoir un cordon suffisamment épais. Il peut être nécessaire de meuler entre chaque passe afin d'enlever des impuretés.

À haute température, le métal réagit avec l'air, il s'oxyde. Pour éviter cela, on peut projeter une atmosphère protectrice ou bien ajouter un produit qui va former un nuage de vapeur protectrice sous l'effet de la chaleur. Il peut être nécessaire de protéger l'envers de la soudure lors de la première passe (le bain de fusion est en contact avec l'air de l'autre côté de la tôle) ; s'il s'agit d'une capacité (réservoir) ou d'un tuyau, il peut être nécessaire de remplir le volume intérieur d'un gaz inerte (typiquement argon, azote ou hélium), opération dite « d'inertage ». Le débit doit être suffisant pour que l'opération ne dure pas trop longtemps (typiquement 5 minutes à une demie heure), mais pas trop important pour ne pas brasser les gaz et bien avoir une couche qui pousse l'autre ; il faut également veiller à ne pas avoir de surpression qui repousserait le bain de fusion. On peut effectuer un chambrage, c'est-à-dire limiter le volume à remplir par des vessies gonflables ou bien un film soluble dans l'eau — ce qui permet de l'éliminer par un simple rinçage ou bien lors de l'épreuve de pression —, pour diminuer la consommation de gaz et la durée de l'opération.

Cela explique la diversité des procédés de soudage :

• soudage au chalumeau ;
• soudage à l'arc électrique ;
  • l'électrode étant le fil ou la baguette du métal d'apport,
    • avec une atmosphère gazeuse,
    • avec un produit d'apport qui enrobe ou est fourré dans le métal d'apport,
  • l'électrode étant une baguette qui ne fond pas (en tungstène) ;
• …

Morphologie d'un cordon de soudure d'angle :

1. Zone fondue (ZF).
2. Zone affectée thermiquement (ZAT).
3. Métal de base.

Vu en coupe, le cordon de soudure présente :

• une zone fondue (ZF) : c'est la partie du métal de base qui a fondu et s'est mélangé avec le métal d'apport pour former le bain de fusion, puis qui s'est solidifié en refroidissant ;
• une zone affectée thermiquement (ZAT) qui entoure la zone fondue : dans cette zone, le métal de base n'a pas fondu, mais il a été altéré par le chauffage.

Plusieurs problèmes peuvent se poser lors du soudage :

• mauvaise fusion du métal, mauvaise pénétration du bain de soudure entre les tôles ;
• formation de phases métalliques fragiles lors de la solidification et du refroidissement, provoquant de la fissuration à chaud ou à froid ;
• présence d'inclusions (particules provenant du procédé de soudage) ;
• formation de bulles de gaz, de criques ;
• oxydation du métal, provoquant des amas noirs et irréguliers (rochage) ;
• en soudage à l'arc, déviation de l'arc par le champ magnétique (soufflage) ;
• …

Par ailleurs, le chauffage important et le phénomène de retrait à la solidification provoquent des déformations des pièces ainsi que des contraintes résiduelles (tensions internes à la matière). On essaie de limiter la déformation :

• en choisissant bien la forme des pièces à souder et la position du joint de soudure ;
• en effectuant un pointage, c'est-à-dire en commençant par des points de soudure espacés qui vont tenir les pièces pendant la réalisation du cordon ;
• éventuellement en soudant une pièce de renfort qui sera ensuite enlevée.

Pour réduire les contraintes résiduelles, on peut effectuer un traitement thermique après soudage : un chauffage modéré suivi d'un refroidissement lent (traitement de recuit).

Le choix du procédé de soudage et de ses paramètres vise à éviter ces problèmes pour avoir la soudure la plus résistante possible.

Risques, prévision, prévention

Les risques du soudage sont :

• opérations de préparation :
  • manutention des pièces : coupure par les bords tranchants, écrasement, troubles musculo-squelettiques,
  • meulage : blessure par la meule en action, projection de grains de meule (en particulier vers les yeux), gerbe d'étincelles (brûlures, incendie), rupture de la meule,
  • inertage : asphyxie ;
• opération de soudage :
  • la chaleur : risque de brûlure, risque d'incendie,
  • la luminosité : aveuglement momentané, et pour certains procédés dégageant une grande quantité d'ultraviolets (arc électrique), photokératite (coup d'arc) et brûlures de la peau de type « coup de soleil »,
  • le dégagement de vapeurs métalliques toxiques,
  • le risque lié au matériel : bouteilles de gaz sous pression, courant à haute tension.

Les mesures de prévention sont :

• être formé à l'utilisation du matériel et aux premiers secours (selon les pays : SST en France, secourisme industriel en Belgique, secourisme en milieu de travail au Québec) ;
• protection collective : travailler si possible dans une cabine avec un rideau arrêtant les radiations lumineuses et muni d'une hotte d'aspiration ;
• préparation du chantier, prévision des interactions entre les activités : éloigner les matériaux inflammables, ventiler la zone ;
• protections individuelles : vêtements ignifugés (pantalon à jambes longues, veste à manches longues et col fermé) et sous-vêtements non inflammables (coton sans marquage), gants adaptés, chaussures de sécurité,
  • meulage : masque adapté type « lunettes de ski »,
  • soudage au chalumeau : lunettes de protection,
  • soudage à l'arc : cagoule de soudage (masque), tablier de cuir ;
• mode opératoire : préparer son matériel à l'avance, maintenir les pièces à souder par un étau ou des pinces-étaux lorsque c'est possible ;
• au meulage, diriger la gerbe d'étincelle vers un endroit sans risque ;
• avoir un extincteur et une couverture anti-feu à porté de main, une réserve d'eau à proximité pour refroidir les brûlures.

• 
  Chauffage d'un raccord pour le brasage
• 
  Brasage d'un raccord
• 
  Soudage à l'arc d'une bride
• 
  Soudage à l'arc sur chantier

Présentation des principaux procédés de soudage

Les procédés de soudage des métaux

Fig. 1. Soudage à l'arc à l'électrode enrobée

Fig. 2. Soudage au fil fourré

Fig. 3. Rechargement résistant à la corrosion déposé par feuillard au moyen du procédé électroslag (ESW).

Fig. 4. exemple d'une soudure de raboutage de rail de chemin de fer effectuée par aluminiothermie

Fig. 5. Soudage par friction d'une tige filetée sur un support

• Le soudage à la poche :

C'est le plus ancien des procédés de soudage. Les pièces à souder sont enfermées dans un moule en céramique et le métal de joint est coulé sur les faces à souder par une perforation dans le moule.

• Le soudage à la forge :

Les bords des pièces à souder sont portés à la température qualifiée de « blanc soudant » (1 200 °C et plus) estimée à l'œil par le forgeron. Une fois la température requise atteinte, les parties à assembler sont juxtaposées puis martelées. Ce procédé s'apparente au brasage car il n'y a pas à proprement parler de fusion ; ce principe est en partie repris dans le soudage par ultrasons.

• Le soudage à la flamme :

Une flamme est dirigée sur la pièce à souder, le métal d'apport étant apporté dans le bain de fusion sous forme d'une baguette tenue à la main.

• Le soudage à l'arc électrique avec électrode enrobée :

Un arc électrique éclate entre un métal d'apport constitué par une électrode enrobée fusible et la pièce à souder.

• Le soudage à l'arc électrique sous flux pulvérulent :

Un arc électrique éclate entre un métal d'apport constitué par un fil-électrode nu ou fourré qui se dévide mécaniquement et la pièce à souder, l'arc et le bain de fusion étant submergés par un flux pulvérulent.

• Le soudage TIG (tungstène inert gaz) :

Un arc électrique éclate entre une électrode non fusible en tungstène et la pièce à souder. S'il faut un métal d'apport, celui-ci est apporté dans le bain de fusion à la main (baguette d'apport) ou mécaniquement (bobine de fil d'apport).

• Le soudage A-TIG (active tungstène inert gaz) :

Même procédé que le TIG, à la différence près que les pièces sont revêtues d'un flux qui, au passage de l'arc électrique, provoque un effet constricteur sur l'arc électrique. La concentration d'énergie qui en résulte permet une pénétration plus importante ; pour une même consommation d'électricité, l'épaisseur soudée est plus importante qu'en TIG traditionnel.

• Le soudage plasma :

Un plasma électrique est maintenu entre une électrode non fusible en tungstène et la pièce à souder. En cas de besoin d'un métal d'apport, celui-ci est apporté dans le bain de fusion manuellement (baguette d'apport) ou mécaniquement (bobine de fil d'apport).

• Le soudage MIG (metal inert gaz) :

Un arc électrique éclate entre un métal d'apport constitué par un fil-électrode nu qui se dévide mécaniquement et la pièce à souder, l'arc et le bain de fusion étant environnés d'une atmosphère protectrice chimiquement inerte d'argon ou d'hélium.

• Le soudage MAG (metal activ gaz) :

Un arc électrique éclate entre un métal d'apport constitué par un fil-électrode nu ou fourré qui se dévide mécaniquement et la pièce à souder, l'arc et le bain de fusion étant environnés d'une atmosphère protectrice chimiquement active qui peut être du CO₂ ou un mélange argon/CO₂.

• Le soudage au fil fourré :

Un arc électrique éclate entre un métal d'apport constitué en un fil fourré qui se dévide mécaniquement et la pièce à souder. Ce procédé s'apparente au soudage à l'électrode enrobée.

• Le soudage par effet Joule sous flux protecteur :

L'effet Joule (échauffement par résistance électrique) est produit entre un fil ou un feuillard qui se dévide mécaniquement dans le bain de fusion formé avec les pièces à souder (ou à revêtir), le bain de fusion étant protégé de l'oxydation par un flux pulvérulent flottant à sa surface. Ce procédé est souvent dénommé « electroslag », ou, si l'on utilise un gaz protecteur inerte, « electrogas ».

• Le soudage par résistance :

Des électrodes non fusibles et refroidies pincent adéquatement deux pièces superposées et conduisent un courant électrique ; la température de fusion est atteinte par effet Joule au droit des pièces à souder et le soudage s'effectue lors du pincement.

• Le soudage par étincelage :

Des étincelles éclatent entre les bord des pièces à souder. Un fois la fusion obtenue, les bords à souder sont vivement rapprochés jusqu'à provoquer l'éjection de la phase liquide et des impuretés éventuelles, puis on maintient l'ensemble sous pression.

• Le soudage par décharge de condensateur :

Les pièces sont maintenues en contact jusqu'à décharge d'un condensateur libérant l'énergie nécessaire à la production du bain de fusion, les pièces sont maintenues pressées l'une contre l'autre jusqu'à la solidification du joint (ce procédé est très utilisé pour le soudage de fil thermocouple sur paroi métallique).

• Le soudage par faisceau d'électrons :

Un faisceau d'électrons bombarde les pièces à souder et produit une source de chaleur tridimensionnelle étroite et intense formant un trou ou un tunnel débouchant à travers les matériaux et se déplaçant le long du joint à souder ; la machine et les pièces à assembler sont maintenus dans une enceinte sous vide.

• Le soudage par faisceau laser :

Technique similaire à la précédente, le faisceau d'électrons est remplacé par un faisceau laser et le soudage n'est pas effectué sous vide.

• Le soudage par ultrasons :

C'est un procédé de soudage à l'état solide car la température atteinte est comprise entre 30 et 50 % de la température de fusion. Les surfaces à assembler sont maintenues en position par des sonotrodes reliées à un transducteur d'ultrasons. Les vibrations ultrasoniques communiquées aux pièces à souder portent l'interface à un état pâteux qui, associé aux efforts mécaniques appropriés, permet de créer une zone de liaison comparable à celle d'une soudure. Cette technique s'apparente au brasage.

• Le soudage par aluminothermie :

Une réaction exothermique est provoquée au sein d'un mélange approprié d'oxydes métalliques et d'agents réducteurs maintenu entre les bords de pièces à assembler. Un fois la réaction amorcée, le mélange exothermique et les bord des pièces entrent en fusion et forment le joint soudé, contenu généralement dans une coquille réfractaire.

• Le soudage par friction :

Les bords des pièces à souder sont maintenus pressés l'un contre l'autre et mis en mouvement jusqu'à ce que le frottement provoque la fusion, les pièces sont alors vivement rapprochés et maintenues sous pression.

pour en savoir plus : le soudage par friction

Les procédés de soudage des plastiques

• Le soudage à l'air chaud :

Un flux d'air chaud est dirigé vers les bord à souder. En cas de besoin d'un produit d'apport, celui-ci est apporté dans le bain de fusion manuellement (baguette d'apport). Ce procédé s'apparente un peu au soudage au chalumeau.

• Le soudage par friction :

Les bords des pièces à souder sont maintenus pressés l'un contre l'autre et mis en mouvement jusqu'à ce que le frottement provoque la fusion ; les pièces sont alors vivement rapprochées et maintenues en contact jusqu'à solidification.

• Le soudage au miroir :

Les surfaces à joindre sont pressées, en position quasi définitive, de part et d'autre d'un miroir chauffant (ou lame chauffante) qui les porte à la température de fusion. Le miroir s'escamote et les pièces sont alors rapprochées et maintenues en contact jusqu'à solidification.

• Le soudage par ultrasons :

Les surfaces à joindre sont pressées par des sonotrodes reliées à un transducteur d'ultrasons. Les vibrations ultrasoniques communiquées aux pièces à souder portent l'interface à la température de fusion. Les pièces sont maintenues en contact jusqu'à solidification.

• Le soudage hautes fréquences :

Un champ électrostatique à haute fréquence induit des vibrations moléculaires au sein des pièces à souder, ce qui provoque le ramollissement nécessaire des surfaces à joindre qui sont alors pincées l'une sur l'autre.

• Le soudage laser :

Un faisceau laser est dirigé sur les pièces à souder, dont l'une est obligatoirement transparente pour la longueur d'onde du laser utilisé, l'interface ou l'autre pièce étant obligatoirement opaque. L'énergie ainsi absorbée engendre la chaleur requise pour le soudage.

Voir aussi

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< Soudage — Conception d'un assemblage soudé >