Le soudage à l’arc est sans doute le procédé de fusion le plus utilisé pour l’assemblage des métaux. En appliquant une chaleur intense, le métal au niveau du joint entre deux pièces est fondu et se mélange, soit directement, soit avec un métal d’apport fondu intermédiaire. Après refroidissement et solidification, une liaison métallurgique plus ou moins solide et plus ou moins esthétique est créée. Comme l’assemblage est un mélange de métaux, la soudure finale a potentiellement les mêmes propriétés de résistance que le métal des pièces. Cela contraste fortement avec les procédés d’assemblage sans fusion dans lesquels les propriétés mécaniques et physiques des matériaux de base ne peuvent pas être reproduites au niveau de l’assemblage.
Dans le soudage à l’arc, la chaleur intense nécessaire pour faire fondre le métal est produite par un arc électrique. L’arc se forme entre la pièce à travailler et une électrode (baguette ou fil) qui est guidée manuellement ou mécaniquement le long du joint. L’électrode peut être soit une baguette dans le but de simplement transporter le courant entre la pointe (ou panne) et la pièce à travailler, ou un fil spécialement préparé qui va conduire le courant mais aussi fondre pour fournir le métal d’apport nécessaire à la formation du joint dans les meilleures conditions. La plupart des soudures dans la fabrication de produits en acier utilisent le deuxième type d’électrode.
Dans cet article de synthèse destiné au soudage à l’arc, nous allons revenir sur les composants et le fonctionnement du circuit de soudage à l’arc, la nature physique de l’arc à souder, les différents types de soudage à l’arc (avec ou sans consommable) ainsi que les bonnes pratiques à adopter pour apprendre à souder à l’arc en toute sécurité.
Le circuit de soudage à l’arc
Le circuit de base du soudage à l’arc contient une source de courant alternatif ou continu, équipée de toutes les commandes nécessaires, est reliée par un câble à la pièce à travailler et par un câble « chaud » à un porte-électrode qui établit un contact électrique avec l’électrode de soudage. Un arc est alors créé lorsque le circuit sous tension et la pointe de l’électrode touchent la pièce et sont retirés, tout en restant en contact étroit. L’arc produit une température d’environ 3 600° C à la pointe. Cette chaleur fait fondre à la fois le métal de base et l’électrode, produisant un bain de métal en fusion parfois appelé « cratère ». Ce dernier se solidifie derrière l’électrode lorsqu’il est déplacé le long du joint. Il en résulte une liaison de fusion.
Cependant, l’assemblage des métaux nécessite plus que le déplacement d’une électrode le long d’un joint. Les métaux à haute température ont tendance à réagir chimiquement avec les éléments présents dans l’air, notamment l’oxygène et l’azote. Lorsque le métal en fusion entre en contact avec l’air, il se forme des oxydes et des nitrures qui détruisent la résistance et la ténacité du joint de soudure. Par conséquent, de nombreux procédés de soudage à l’arc permettent de couvrir l’arc et le bain de fusion d’un écran protecteur de gaz, de vapeur ou de scories.
Ce « blindage » empêche ou minimise le contact du métal en fusion avec l’air et améliorer le rendu final de la soudure. On peut par exemple utiliser un flux granulaire qui va ajouter des désoxydants à la soudure. Le revêtement extrudé sur la tige de métal d’apport fournit un gaz de protection au point de contact tandis que le laitier protège la soudure fraîche de l’air. L’arc lui-même est un phénomène très complexe. Une compréhension approfondie de la physique de l’arc est peu utile au soudeur, mais la maîtrise des caractéristiques de base lui permettra de mieux manipuler son outil de travail pour améliorer la qualité des soudures réalisées et mieux prévenir certains problèmes récurrents.
Qu’est-ce que l’arc de soudage ?
L’arc de soudage est un courant électrique qui circule entre deux électrodes à travers une colonne de gaz ionisé. Une cathode chargée négativement et une anode chargée positivement créent la chaleur intense de l’arc de soudage. Les particules chargées négativement et positivement rebondissent les unes sur les autres dans la colonne de plasma à un rythme accéléré. Dans le soudage, l’arc fournit non seulement la chaleur nécessaire pour faire fondre l’électrode et le métal de base, mais aussi les moyens de transporter le métal fondu de la pointe de l’électrode à la pièce à souder dans certaines conditions. Il existe plusieurs mécanismes de transfert du métal. Voici les deux exemples les plus courants :
- Le transfert par tension de surface : une goutte de métal en fusion touche le bain de métal en fusion et y est attirée par la tension de surface ;
- L’arc de soudage de pulvérisation : la goutte est éjectée du métal en fusion à la pointe de l’électrode par un pincement électrique qui la propulse dans le bain de fusion (idéal pour le soudage hors position).
Si l’électrode utilisée est consommable, la pointe fond sous la chaleur de l’arc et les gouttelettes en fusion se détachent et sont transportées vers la pièce à travailler par la colonne à arc. Tout système de soudage à l’arc dans lequel l’électrode est fondue pour devenir une partie de la soudure est décrit comme un « arc métallique ». Dans le soudage au carbone ou au tungstène (soudage TIG), il n’y a pas de gouttelettes fondues qui doivent être acheminées à travers l’espace et sur la pièce. Le métal d’apport est fondu dans le joint à partir d’une tige ou d’un fil séparé.
Une plus grande partie de la chaleur développée par l’arc est transférée au bain de fusion à l’aide d’électrodes consommables. Cela permet d’obtenir des rendements thermiques plus élevés et des zones affectées par la chaleur plus étroites. C’est pourquoi le soudage TIG est utilisé pour les travaux de soudage nécessitant une certaine précision. Comme il doit y avoir un chemin ionisé pour conduire l’électricité à travers un espace, le simple fait d’allumer le courant de soudage avec une électrode « électriquement froide » posée dessus ne déclenchera pas l’arc. L’arc doit en effet être déclenché. Cela se fait soit en fournissant une tension initiale suffisamment élevée pour provoquer une décharge, soit en faisant touchant l’électrode et la pièce à travailler et en la retirant lorsque la zone de contact devient chaude.
Le soudage à l’arc peut être effectué en courant continu, l’électrode étant soit positive ou négative, ou en courant alternatif. Le choix du courant et de la polarité dépend du procédé, du type d’électrode, de l’atmosphère de l’arc et du métal à souder. Notez que les postes à souder Inverter embarquent un onduleur qui permet de transformer le courant alternatif en courant continu pour empêcher les soubresauts du courant et permettre un soudage régulier et fluide.
Quels sont les différents types de soudage à l’arc ?
Plusieurs typologies peuvent être utilisées pour classer les différents types de soudage à l’arc. Pour des raisons évidentes de praticité, nous allons nous intéresser à la typologie qui prend en considération le critère du « consommable ». Nous allons donc distinguer le soudage à l’arc à l’électrode consommable du soudage à l’arc à l’électrode non consommable.
#1 Soudage à l’arc avec électrode consommable
Le soudage sous gaz inerte (MIG) et soudage sous gaz actif (MAG)
Aussi connu sous le nom de soudage à l’arc sous gaz protecteur (ou GMAW pour les anglophones), ce procédé de soudage utilise un gaz protecteur pour prévenir la contamination et l’oxydation des métaux à souder. Le soudage MIG est sans doute le procédé le plus utilisé parmi les bricoleurs avertis et les amateurs des projets DIY.
Le soudage à l’arc sous gaz protecteur (SMAW)
Également connu sous le nom de « soudage manuel à l’arc métallique » (MMA ou MMAW), le soudage à l’arc avec flux protégé ou à la baguette à souder est un procédé dans lequel l’arc est généré entre la tige métallique (électrode enrobée de flux) et la pièce à souder. La tige métallique et la surface de la pièce vont donc fondre pour former un bain de fusion. La fusion simultanée de la couche de flux sur la baguette à souder forme un gaz et un « laitier » qui protège le bain de fusion de l’atmosphère environnante, prévenant ainsi la contamination et l’oxydation pour améliorer la qualité de la soudure. Il s’agit d’un procédé polyvalent, idéal pour l’assemblage de matériaux ferreux et non ferreux avec une gamme d’épaisseurs de matériaux dans toutes les positions, si votre poste à souder le permet.
Le soudage à l’arc sous flux (FCAW)
Imaginé en tant qu’alternative au soudage à l’arc sous gaz protecteur (SMAW), le soudage à l’arc avec fil fourré (FCAW) utilise une électrode consommable à flux continu et une alimentation électrique à tension constante, qui fournit une longueur d’arc régulière. Ce procédé utilise soit un gaz de protection, soit uniquement le gaz créé par le flux pour assurer une protection contre la contamination. Le soudage au fil fourré est idéal pour les travaux en extérieur qui rendent le port d’une bouteille de gaz laborieux pour l’opérateur.
Le soudage à l’arc submergé (SAW)
Il s’agit d’un procédé de soudage qui utilise là encore une électrode consommable alimentée en continu et une couverture de flux fusible qui devient conducteur lorsqu’il est fondu, fournissant un courant de soudage entre la pièce et l’électrode. Le flux permet également d’éviter les éclats et les étincelles tout en supprimant les fumées et le rayonnement ultraviolet pour la sécurité de l’opérateur. Cela ne doit pas exonérer le soudeur de porter un équipement de protection approprié, notamment un masque à souder assombrissant et des gants épais.
Le soudage sous laitier électro-conducteur (ESW)
Plus rare, ce procédé de soudage à la verticale est utilisé pour souder des plaques épaisses (plus de 25 mm) en une seule passe. Le soudage sous laitier électro-conducteur repose sur un arc électrique qui se déclenche et qui s’éteint avec l’ajout d’un flux. Ainsi, le flux fond au fur et à mesure que le fil consommable est introduit dans le bain de fusion, ce qui crée un laitier en fusion au dessus du bain. La chaleur nécessaire à la fusion des bords du fil et de la plaque est générée par la résistance du laitier fondu au passage du courant électrique. Deux sabots de cuivre refroidis à l’eau suivent la progression du processus et empêchent tout écoulement de laitier en fusion. Ce procédé doit être réalisé par un pro disposant d’un poste à souder à l’arc adéquat.
Le soudage des goujons à l’arc (SW)
Ce procédé de soudage relie un écrou ou un élément de fixation, généralement avec une bride dont les embouts fondent pour créer la jonction, à une autre pièce métallique.
Le soudage à l’arc avec électrodes non consommables
Le soudage sous gaz inerte au tungstène (TIG)
Également connu sous le nom de soudage à l’arc au tungstène gazeux (GTAW), le soudage TIG utilise une électrode en tungstène non consommable pour créer l’arc et un gaz de protection inerte pour protéger la soudure et le bain de fusion contre la contamination atmosphérique. C’et la technique de prédilection pour souder l’aluminium à l’arc et pour réaliser des soudures nécessitant un certain degré de précision.
Le soudage à l’arc plasma (PAW)
Comme le soudage TIG, le soudage à l’arc plasma utilise un arc électrique entre une électrode non consommable et une anode que l’on va placer dans le corps de la torche. L’arc électrique est utilisé pour ioniser le gaz dans la torche et créer le plasma, qui est ensuite poussé à travers un trou fin dans l’anode pour atteindre la plaque de base. De cette façon, le plasma est séparé du gaz de protection.