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ESDEP GROUPE DE TRAVAIL 3

FABRICATION ET MONTAGE

Leon 3.4

Modes opratoires de soudage

OBJECTIF

Passer en revue les modes opratoires de soudage couramment utiliss et mettre l'accent sur quelques considrations pratiques

RESUME

Cette leon dcrit les modes opratoires de soudage couramment utiliss dans la construction : soudage l'arc manuel avec lectrode enrobe sous gaz, soudage par protection de gaz actif avec transfert par grosses gouttes et par pulvrisation, soudage l'arc sous flux en poudre et le soudage des goujons. Chaque mode opratoire est dcrit brivement et les avantages, inconvnients et limites de chacun sont rsums. On tudie le choix d'un mode opratoire de soudage appliqu une situation particulire.

ABREVIATIONS

MAG soudage l'arc sous protection de gaz actif avec fil-lectrode fusible (Metal Active Gaz) (parfois appel soudage MIG - Metal Inert Gaz : soudage l'arc sous protection de gaz inerte avec fil-lectrode fusible)

MMA soudage manuel avec lectrode enrobe (Manual Metal Arc Welding)

SAW soudage l'arc sous flux en poudre (Submerged Arc Welding)

HAZ zone affecte thermiquement ZAT (en anglais : Heat Affected Zone)

1. INTRODUCTION - SOURCES DE CHALEUR ET METHODES DE PROTECTION

Il y a trois mthodes principalement utilises pour crer la chaleur ncessaire au soudage :

flamme oxyactylnique, rsistance au passage d'un courant, arc lectrique.

Chaque mthode produit un bain d'acier en fusion que l'on doit protger de la contamination atmosphrique. La mthode utilise pour raliser cette protection, c'est--dire la technique de protection, a une influence prpondrante sur les caractristiques du mode opratoire. Pour de l'acier de structure, les modes opratoires couramment utiliss sont bass sur l'arc lectrique.

Dans le soudage l'arc, on peut utiliser un flux ou un gaz non-ractif (inerte) pour recouvrir le bain de fusion et donc empcher l'air de rentrer. Cette leon s'intresse principalement aux quatre modes opratoires de soudage l'arc utiliss pour l'acier de structure.

2. SOUDAGE MANUEL AVEC ELECTRODE ENROBEE

Cette mthode manuelle constitue l'un des modes opratoires de soudage l'arc les plus rpandus (voir la figure 1). Elle ncessite une comptence considrable pour raliser des soudures de bonne qualit. L'lectrode est constitue d'un fil cur d'acier et d'un flux d'enrobage contenant des lments allis, comme par exemple le manganse et la silice. L'arc fait fondre le mtal de base et l'lectrode. Au fur et mesure que le mtal est transfr du bout du fil en acier au bain de fusion, le soudeur dplace l'lectrode de manire garder une longueur constante l'arc. Ceci est essentiel dans la mesure o la largeur du cordon est en grande partie lie la longueur de l'arc. Le flux fond avec le fil de cur et coule sur la surface du bain de fusion pour former un laitier qui doit tre enlev aprs la solidification.

Ce procd de soudage manuel (MMA) prsente plusieurs avantages, comme :

faibles investissements, libert de mouvement ; on peut l'utiliser jusqu' 20 m de l'alimentation

lectrique (pratique sur chantier),

utilisation possible dans toutes les positions, convient pour des aciers de structure et inoxydables (mais pas pour

l'aluminium).

Son principal inconvnient est un faible cycle de travail, c'est--dire qu'il n'y a qu'un faible volume de mtal dpos avant que le soudeur ne s'arrte pour insrer une autre lectrode. Ceci ne constitue pas un problme pour des soudures courtes, mais devient un problme pour des soudures longues, en particulier lorsque les cots de main-duvre sont levs.

Les caractristiques d'action de l'lectrode sont contrles par la composition du flux d'enrobage. Une grande varit d'lectrodes est disponible selon les applications envisages. On choisit l'intensit du courant compte tenu du diamtre du fil utilis. Lorsqu'il est ncessaire d'avoir un bain de fusion bas hydrogne, afin d'viter la fissuration de la ZTA lors du refroidissement, il faut tuver et entreposer les lectrodes MMA la temprature et pendant la dure recommandes par le fabricant. Ces procdures permettent d'tre sr que les lectrodes dposent du mtal fondu avec les niveaux d'hydrogne diffusible faibles adquats.

3. SOUDAGE SOUS PROTECTION DE GAZ ACTIF (PROCEDE MAG)

Ce mode opratoire est parfois dsign sous le nom de soudage en atmosphre inerte (procd MIG), bien que, strictement parlant, le terme MIG doive tre limit la seule utilisation de l'argon comme gaz de protection, ce que l'on n'utilise pas pour l'acier au carbone.

Le procd MAG est un procd semi-automatique, dans lequel la torche de soudage, situe l'extrmit d'un tube flexible, peut tre tenue la main et manipule, toutefois toutes les autres oprations sont automatiques (voir la figure 2a et la figure 2b).

L'arc et le bain de fusion sont protgs par un gaz qui ne ragit pas avec l'acier fondu ; en pratique, le gaz de protection est du dioxyde de carbone ou un mlange d'argon et de dioxyde de carbone. Le flux n'est pas ncessaire pour protger le bain, dans la mesure o les lments d'alliage sont dans le fil de l'lectrode, mais, parfois, on utilise une lectrode flux fourr, afin de crer un laitier qui contrle le profil de la soudure et rduit la tendance des dfauts du type dfaut de fusion, ainsi que l'incidence de la porosit. La longueur de l'arc est commande par l'alimentation lectrique. Bien que le soudage MAG soit un peu plus facile que le soudage MMA, il faut une certaine comptence pour obtenir de bonnes conditions de soudage.

La manire dont le mtal est transfr du fil de l'lectrode vers le bain de fusion dpend de l'intensit du courant, du voltage et de la composition du gaz de protection. Lorsque l'intensit augmente, la forme du transfert change brutalement pour devenir un brouillard de fines gouttes qui sont envoyes travers la longueur de l'arc par les forces lectromagntiques de l'arc. Ce transfert est appel transfert par pulvrisation et il autorise la ralisation du soudage en position oppose la gravit. Si on change le gaz de protection par du dioxyde de carbone (en supposant que l'on ait des lectrodes en acier), le transfert se fait en gouttes plus grosses et moins bien diriges ; on peut, cependant, renverser la situation en utilisant un mlange de gaz inerte et de dioxyde de carbone.

Quand on utilise des lectrodes en acier, la rduction de faon sensible du voltage de l'arc et aussi de son intensit (en rduisant l'alimentation en fil-lectrode), donne lieu une forme de transfert connu sous le nom de transfert par grosses gouttes ou transfert par courts-circuits. Dans ce mode de transfert, le mtal est fondu directement dans le bain, sans passer librement travers la longueur de l'arc. Pour des voltages lgrement plus levs, le transfert se fait travers la longueur de l'arc, mais est constitu de gouttes plus grosses qui n'ont pas le caractre directionnel prononc du transfert par pulvrisation. Le changement gouttes-brouillard est moins marqu avec l'acier qu'avec certains autres mtaux. On fait parfois des soudures dans l'acier pour lesquelles ce type de transfert prdomine. Il est aussi possible de contrler le type de transfert de mtal pour des intensits faibles moyennes, en utilisant une alimentation spciale qui donne l'arc une intensit pulse.

Pour du soudage de position , c'est--dire vertical et au plafond, l'intensit doit tre maintenue en dessous de 180 A (de telle sorte que le soudage se fasse en mode grosses gouttes ) et les vitesses de soudage sont comparables celles du procd MMA. La dure totale pour un joint et donc la productivit sont meilleures, dans la mesure o il n'y a pas enlever de laitier ni changer d'lectrode. En position plat, on peut utiliser des intensits jusqu' 400 A ( transfert par pulvrisation ) pour obtenir des vitesses de soudage leves. Le soudage MAG convient particulirement pour des joints de cordons d'angles courants, par exemple assemblages poutre-poteau et raidisseur-plat. Il n'est pas facile utiliser sur chantier en raison des problmes lis au dplacement de l'quipement et du besoin de fournir des crans afin d'viter de perdre du gaz de protection dans des conditions telles que la prsence de courants d'air.

4. SOUDAGE A L'ARC SOUS FLUX EN POUDRE (SAW)

Il s'agit d'un procd entirement automatis dans lequel la tte de soudage se dplace de faon automatique le long du joint (figure 3). L'lectrode est un fil nu dont l'avancement est command par un moteur asservi. Le voltage et l'intensit du courant sont choisis au dbut de la soudure et sont maintenus ces valeurs par des systmes de rgulation (feed-back) qui, en pratique, peuvent tre plus ou moins sophistiqus. Le flux se trouve sous forme de particules et est dpos la surface du joint. L'arc opre sous la surface du flux, dont il fond une partie pour former du laitier. Le flux non fondu est rcupr et peut tre rutilis pour la soudure suivante.

Le soudage l'arc sous flux en poudre opre gnralement des intensits entre 400 et 1.000 A. Ceci veut dire que les bains de fusion sont importants et ne peuvent tre matriss qu'en position plat, bien que des cordons d'angles puissent tre dposs en position de soudage en corniche, jusqu' 10 mm de longueur de ct en une passe. Aux endroits o il est difficile de contrler la pntration de la passe de racine, on peut utiliser une latte-support ; sinon, la premire passe peut tre ralise par un procd de type MMA ou MAG, puis la gorge remplie selon le procd SAW. Le procd SAW offre des avantages considrables quand on veut souder des joints longs (suprieurs 1 m de longueur). Les vitesses de soudage leves et l'opration en continu conduisent une productivit leve. La premire exigence est, toutefois, d'avoir un accostage prcis.

5. SOUDAGE DES GOUJONS

C'est une variante du soudage l'arc dans laquelle des goujons sont souds de faon automatique sur des surfaces planes (figure 4). Le goujon qui peut tre un barreau lisse ou filet (s'il est lisse, il doit avoir une tte), constitue l'lectrode et est tenu dans le mandrin d'un pistolet de soudage connect une alimentation lectrique. Le goujon est tout d'abord mis en contact avec la surface d'un plat en acier ou d'un profil. Ds que le courant est mis, le goujon est automatiquement cart de manire ce que s'tablisse un arc lectrique. Quand le bain de fusion s'est form et que le bout du goujon est fondu, il est automatiquement enfonc dans le plat en acier et le courant est coup. Le mtal fondu qui est expuls de l'interface est dispos en bourrelet au moyen d'un collier en cramique, plac autour de l'arc du goujon au dbut de l'opration. Cette collerette sert aussi fournir une protection suffisante contre la contamination atmosphrique.

Le soudage des goujons offre une mthode prcise et rapide d'attache de connecteurs au cisaillement, avec le minimum de dformation. Alors qu'il ncessite une certaine comptence pour tablir les paramtres de soudage (voltage, intensit du courant, dure et force de l'arc), le fonctionnement de l'quipement est relativement sans surprise.

6. CHOIX DU PROCEDE

Quand on veut choisir un procd de soudage, il est ncessaire de prendre en compte un certain nombre de facteurs :

L'paisseur du matriau souder ;

L'endroit o la soudure doit tre faite. Les procds SAW et MAG conviennent mieux l'environnement protg de l'atelier de fabrication. Le procd MMA peut, plus volontiers, tre utilis sur chantier ;

La prcision de l'accostage et les possibilits de mauvais alignement. Les procds SAW et MAG avec transfert par pulvrisation requirent une bonne prsentation des pices ; ils sont particulirement sensibles la variation de l'cartement la racine et/ou aux dimensions de la surface racine ;

L'accs au joint. Il est ncessaire de s'assurer qu' la fois l'quipement de soudage et la torche ou la tte de soudage peuvent tre positionns correctement ;

La position de soudage. Les procds SAW et MAG avec transfert par pulvrisation ne conviennent pas pour du soudage vertical ou en position plafond. Le procd MAG avec transfert par grosses gouttes est acceptable pour du soudage vertical ou en position plafond, mais le procd MMA est probablement le meilleur pour des travaux en position plafond, en particulier sur site ;

La composition de l'acier. Les aciers ayant une faible valeur d'quivalent carbone sont plus volontiers soudables et ncessitent des niveaux de prchauffage plus faibles ;

Le cot compar. On peut calculer le prix par unit de longueur de soudure, mais il dpend du coefficient de fusion du procd et doit autoriser des diffrences dans les cycles de travail (temps inoccup entre les lectrodes pour le procd MMA), voir figure 5.

7. CONCLUSION

Les modes opratoires de soudage couramment utiliss pour l'acier de construction sont : le soudage manuel avec lectrode enrobe (Manual Metal Arc Welding), le soudage l'arc sous protection de gaz actif avec fil-lectrode fusible (Metal Active Gaz), avec transfert par grosses gouttes et par pulvrisation, le soudage l'arc sous flux en poudre (Submerged Arc Welding) et le soudage des goujons.

Le soudage des goujons est utilis pour fixer des connecteurs au cisaillement et d'autres goujons des structures en acier.

Le caractre correct du choix du mode opratoire dpend de : la situation, l'accostage, l'accs, la position, la composition de l'acier et les facteurs conomiques.

8. LECTURES COMPLEMENTAIRES

1. Gourd, L.M., "Principles of Welding Technology", E. Arnold, 1980. description des modes opratoires.

2. Houldcroft, P. T., and Robert, "Welding and Cutting - A Guide to Fusion Welding and Associated Cutting Processes", Woodhead and Faulkner, 1988.

dtails des procds individuels.

3. Structural Welding Code - Steel, American Welding Society, 1992.

4. EN 24063 : 1992 (ISO 4063 : 1990) Welding, Brazing, Soldering and Braze Welding of Metals - Nomenclature of Processes and Reference of Numbers for Symbolic Representation on Drawings.

5. EN 288 : Part 1 : 1992, Welding Procedures Metallic Materials, Partie 1 : General Rules for Fusion Welding.

6. EN 288 : Part 2 : 1992, Welding Procedures Metallic Materials, Partie 2 : Welding Procedure Specification for Arc Welding.

7. EN 288 : Part 3 : 1992, Welding Procedures Metallic Materials, Partie3 : Welding Procedure Tests for Arc Welding of Steels.

8. EB 288 : Part 4 : 1992, Welding Procedures Metallic Materials, Partie 4 : Tests for the Arc Welding of Aluminium and its Alloys.

9. Pratt, J. L., "Introduction to the Welding of Structural Steelwork", SCI P-014, 3rd dition rvise, 1989, Steel Construction Institute.

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