soudage (suite)

Les caractéristiques du métal de base, celles du métal d’apport et éventuellement de l’enrobage ainsi que la nature de l’atmosphère sont les données de base de l’opération de soudage. Jointes à la forme des pièces à assembler et à celle de la soudure à réaliser, elles contribuent au choix de la méthode de soudage à adopter et de la source thermique ou d’énergie à utiliser.

Conséquences du soudage

En principe, le soudage se fait presque toujours à haute température. Le résultat obtenu est appelé soudure.

• Cycle thermique. Au cours de l’opération, la pièce est soumise à un certain cycle thermique. La zone qui se trouve aux environs de la soudure subit un échauffement. En chaque point de cette région, la température varie en fonction du temps suivant une certaine loi qui dépend du procédé de chauffage, de la nature du métal et de la forme des pièces. Dans le cas le plus général, la région de la soudure comprend deux ou trois zones très nettement visibles sur une coupe macrographique de l’assemblage :
— une zone fondue, où la température a dépassé celle du liquidus du métal de base, zone souvent à grains fins, car le refroidissement est rapide, et qui peut comporter les mêmes défauts qu’une pièce de fonderie : soufflures, microretassures, etc., le retrait pouvant même entraîner des fissures ;
— une zone affectée, dans laquelle la température est restée inférieure à la température de fusion, mais a été néanmoins suffisante pour modifier la constitution ou la structure micrographique ;
— une zone, souvent très réduite, de fusion partielle, où la température a atteint l’intervalle de solidification de l’alliage.

On peut dans une certaine mesure modifier le cycle thermique, par exemple en préchauffant la pièce localement ou globalement, soit pour lui éviter un choc thermique important, soit pour diminuer la vitesse de refroidissement.

• Contraintes. Le caractère local et transitoire du chauffage se traduit par une hétérogénéité de température dans la pièce pendant le cycle de soudage. Il en résulte des contraintes internes qui peuvent dépasser la limite de rupture du métal et produire des criques très préjudiciables à la solidité de l’assemblage. Mais, dans la plupart des cas, elles entraînent seulement une déformation permanente de la pièce ou encore elles demeurent à l’état de contraintes résiduelles qui, gênantes en cas d’usinage, peuvent être éliminées par un recuit de stabilisation.

• Transformations physico-chimiques. Le métal, chauffé et localement fondu, peut, au contact des agents extérieurs (atmosphère, enrobage), subir des transformations physico-chimiques.
1. Un alliage ayant un constituant volatil peut s’appauvrir localement de ce constituant volatil.
2. Le métal fondu peut réagir avec les corps environnants (formation d’oxydes, fixation d’impuretés issues des électrodes).
3. Le métal fondu peut enfin dissoudre des gaz (oxygène, azote, hydrogène) qui ont parfois une influence désastreuse, comme la fragilisation de l’acier par l’hydrogène.

• Soudabilité. Les facteurs influant sur la qualité de la soudure obtenue sont donc très nombreux. On ne peut préjuger avec certitude du résultat uniquement à partir des caractéristiques mécaniques et métallurgiques du métal. Aussi a-t-on tenté de définir des essais de soudabilité. Par ces essais, on cherche à se rendre compte :
— de la possibilité de réaliser par fusion locale l’assemblage de deux pièces ;
— des transformations métallurgiques qui se produisent ;
— des qualités de la soudure, notamment de la sensibilité à la fissuration et à l’effet d’entaille.

Procédés classiques de soudage

Soudage de forge

Cette méthode est utilisée pour souder des pièces en acier peu carburé (acier extra-doux). Les pièces à assembler sont chauffées au feu de forge, ou au four, jusqu’au blanc soudant, puis placées l’une sur l’autre et martelées énergiquement sur une enclume. Pour souder un acier plus carburé, on interpose entre les pièces un fondant (borax), qui forme avec l’oxyde de fer une combinaison fusible.

Soudage au chalumeau

Dans ce procédé, appelé encore soudage à la flamme, la chaleur nécessaire à la fusion est fournie par la combustion d’un gaz dans de l’oxygène à la sortie d’un chalumeau qui permet le mélange de ces gaz et le réglage de leurs débits afin d’obtenir une flamme stable et réglable. Ce gaz carburant est très souvent de l’acétylène, et, dans ce cas, l’opération est appelée soudage oxyacétylénique. La combustion du mélange acétylène et oxygène est très exothermique. Selon les débits relatifs de ces deux gaz, la flamme est carburante ou réductrice (manque d’oxygène), oxydante (excès d’oxygène) ou neutre (mélange stœchiométrique). Avec cette flamme, on amène en fusion la zone à souder, généralement avec métal d’apport, de même composition que le métal de base, présenté sous la forme d’une baguette que le dard de la flamme fond progressivement. Le soudeur tient d’une main le chalumeau, de l’autre la baguette de soudure. Lorsque la puissance spécifique de la flamme oxyacétylénique n’est pas suffisante pour fondre les matériaux à souder, comme c’est le cas des métaux à haute température de fusion et des pièces très épaisses, on utilise le chalumeau oxhydrique, alimenté par de l’hydrogène et de l’oxygène. Le procédé de soudage à la flamme est lent. La zone fondue et la zone affectée sont larges. Enfin, les modifications métallurgiques et les contraintes induites sont importantes.

Soudage électrique à l’arc

L’énergie calorifique est fournie par un arc électrique dont la température dépasse 3 000 °C et qui jaillit sous la forme d’un plasma de particules ionisées entre deux électrodes soumises à une différence de potentiel, continu ou alternatif, d’une quarantaine de volts environ. La pièce à souder peut constituer l’une des électrodes, le métal d’apport présenté sous forme d’une baguette enrobée étant l’autre électrode. Cette baguette est couramment appelée électrode de soudage. Parfois même, les deux parties à assembler constituent chacune une électrode : c’est par exemple le soudage par étincellage, également considéré comme un soudage par résistance. L’arc s’amorce en mettant l’électrode au contact de la pièce à souder, puis en l’écartant légèrement. Certains postes de soudage perfectionnés sont équipés d’un système d’amorçage à distance du type haute fréquence. D’une manière générale, la chaleur dégagée dans l’arc électrique par le passage du courant fait fondre le métal de l’électrode et celui de la pièce à souder qui lui fait immédiatement face. Dans le cas du soudage à l’arc avec électrode enrobée, cette électrode est dite « consommable », c’est-à-dire qu’elle fond pour servir de métal d’apport, tandis que l’enrobage fond lui aussi et se vaporise en partie. Cette vapeur crée autour de la zone de soudage une atmosphère de protection qui évite l’oxydation du métal chauffé. La fraction en fusion de l’enrobage rassemble les impuretés et surnage sur la partie en fusion, où elle produit ensuite une couche protectrice permettant au cordon de soudure de se solidifier et de refroidir sans subir l’oxydation de l’air. Après refroidissement, cette partie minérale et très cassante, appelée laitier, est facilement enlevée au marteau de soudeur. Les pièces épaisses (plus de 4 mm environ) sont chanfreinées en V et celles d’épaisseurs plus fortes en X. Les deux pièces sont alors placées bout à bout, et la soudure est faite de telle manière que le métal d’apport remplisse totalement les intervalles formés entre les deux pièces. Plusieurs passes de l’électrode sont en général nécessaires pour les pièces épaisses, étant entendu qu’après chaque passe le laitier résultant du soudage doit être très soigneusement enlevé.