Procédés de soudage : définition, fonctionnement et panorama des techniques (CG soudure)

Le soudage est un processus d'assemblage permanent dans lequel deux pièces de métal s'assemblent pour former une seule pièce en chauffant les métaux jusqu'à leur point de fusion. Du métal supplémentaire, également appelé métal d'apport, est ajouté pendant le processus de chauffage pour aider à lier les deux pièces ensemble. En général, il s'agit d'un processus dans lequel deux pièces métalliques similaires (ou) différentes peuvent être assemblées en les chauffant à une température suffisamment élevée pour fondre les métaux avec (ou) sans application de pression et avec (ou) sans l'aide d'un matériau d'apport.

Une source de chaleur telle qu'un arc, une flamme, une pression ou une friction. Le plus souvent, cette chaleur provient d'un arc électrique. L'arc correspond à l'espace physique entre l'extrémité de l'électrode et le métal de base. Cet espace engendre de la chaleur en raison de la résistance liée au passage du courant et aux rayons de l'arc. Une protection, par l'utilisation d'un gaz ou d'une autre substance pour protéger la soudure de l'air au moment de sa réalisation.

Objectifs et classifications générales

L’objectif de la soudure est de créer une continuité permanente entre deux éléments métalliques, avec ou sans métal d’apport. Le soudage autogène ou homogène : les pièces à assembler et, le cas échéant, le métal d'apport sont de même nature ou de composition très proche ; le soudage hétérogène : les éléments à assembler sont de même nature, le métal utilisé en apport en revanche est d’une nature différente.

Selon la technique et le type d'énergie utilisés pour fusionner un matériau, les procédés de soudage sont classés en plusieurs catégories :

• Procédés de soudage par fusion : la fusion implique un processus à haute température qui fait fondre les matériaux et les charges ajoutées.
• Procédés de soudage sous pression : la liaison est obtenue par application de pression, parfois avec chauffage, sans fusion complète.
• Procédés de soudage à l'état solide : assemblage sans fusion, souvent par friction, diffusion ou autres mécanismes.

Procédés de soudage par fusion - principes et techniques courantes

Le soudage à l’arc électrique produit une énergie intense, générant une chaleur suffisante pour porter les métaux à leur point de fusion grâce à leur résistivité. Avec ou sans apport de métal, cette technique s’adapte à toutes les épaisseurs et types de métaux. Ce principe générique se décline en plusieurs techniques spécifiques :

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1. Soudage MIG / GMAW (Metal Inert Gas)

Ce procédé de soudage MIG est également identifié sous le nom de soudage à l'arc sous gaz métallique (GMAW). Dans ce type de soudage, un fil fin fonctionne comme une électrode qui est alimentée à partir d'une bobine fixée sur un pistolet à travers un tube flexible et sort de la buse du pistolet de soudage ou de la torche. Le fil est alimenté en continu lorsque la gâchette est tirée sur le pistolet à souder. En raison de sa rapidité, de sa polyvalence et de sa facilité d'automatisation, le soudage MIG/MAG est l'un des procédés de soudage les plus utilisés dans les environnements industriels.

2. Soudage à l'électrode enrobée (SMAW / MMA)

Il est également identifié comme le soudage à l'arc métallique manuel, le soudage à l'arc avec flux protégé ou le soudage à la baguette. Dans ce type de processus, l'arc est amorcé entre la tige ou l'électrode métallique (revêtue de flux) et la pièce, la surface de la tige et de la pièce fond pour créer un bain de soudure. La fusion simultanée du revêtement de flux sur la tige produira du gaz et des scories, qui protègent le joint soudé de l'environnement. Le soudage à l'arc métallique blindé est un procédé varié idéal pour assembler des matériaux ferreux et non ferreux avec l'épaisseur du matériau à toutes les positions.

3. Soudage TIG / GTAW (Tungsten Inert Gas)

Le soudage TIG signifie soudage à l'arc sous gaz inerte au tungstène. Le soudage TIG utilise une électrode en tungstène car le tungstène a un point de fusion élevé. Quand on prend l'électrode de soudure TIG chauffe mais elle ne fond pas on dit que c'est une électrode non consommable. Les électrodes non consommables ne signifient pas qu’elles ne durent pas éternellement et cela signifie qu’elles ne fondent pas et ne font pas partie de la soudure. Le procédé GTAW utilise généralement un gaz de protection, comme l'argon, et un apport de matériau ajouté manuellement si nécessaire.

4. Soudage à l'arc plasma (PAW)

Le soudage à l'arc plasma (PAW) est un procédé de soudage à l'arc utilisant la chaleur générée par un arc comprimé entre une électrode en tungstène non consommable et la pièce (procédé à arc transféré) ou une buse de constriction refroidie à l'eau (procédé à arc non transféré). Le plasma est un mélange gazeux d'ions positifs, d'électrons et de molécules de gaz neutres. Le processus d'arc transféré crée des jets de plasma à haute densité énergétique et peut être utilisé pour le soudage et le découpage à grande vitesse des céramiques, des alliages de cuivre, des aciers, de l'aluminium, des alliages de nickel et des alliages de titane.

5. Soudage au fil fourré (FCAW)

Ce type de soudage est presque similaire au soudage MIG. En fait, les soudeurs MIG peuvent souvent effectuer du soudage à l'arc fourré. Dans ce soudage, le fil comporte un noyau de flux qui forme une protection gazeuse autour de la soudure. Cela réduit la demande d’approvisionnement externe en gaz. Le FCAW est mieux adapté aux métaux bruts et lourds car il s’agit d’un procédé de soudage à haute température. Il est généralement utilisé pour la réparation d’équipements lourds à cette fin. Comme il n’y a pas besoin de gaz externe, cela coûte également moins cher.

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6. Soudage au laser (LBW)

Le soudage par faisceau laser (LBW) est un processus de soudage dans lequel de la chaleur est formée par un faisceau laser à haute énergie ciblé sur la pièce. Le faisceau laser chauffe et fait fondre les extrémités de la pièce, créant ainsi un joint. Dans le soudage laser, le joint est formé comme une séquence de soudures par points superposées ou comme une soudure continue. Le soudage au laser est utilisé dans les industries de l’électronique, des communications et de l’aérospatiale, pour fabriquer des équipements médicaux et scientifiques intégrant de petits composants. La particularité du soudage au laser réside dans sa capacité à chauffer rapidement et de manière extrêmement intense, permettant des joints parfaitement étanches avec peu de déformation.

7. Soudage par faisceau d'électrons (EBW)

Le soudage par faisceau d'électrons est un procédé qui applique la chaleur créée par un faisceau d'électrons à haute énergie. Les électrons frappent la pièce et leur énergie cinétique est convertie en énergie thermique chauffant le métal afin que les bords de la pièce puissent être connectés et qu'une soudure se forme après congélation. L'EBM est également un procédé de soudage à l'état liquide. Il est également décrit comme un procédé de soudage car il accepte l’énergie cinétique des électrons pour joindre deux pièces métalliques.

8. Soudage au gaz (oxyacétylénique)

Le soudage au gaz est effectué en faisant fondre les côtés ou les surfaces à relier par une flamme de gaz et en permettant au métal en fusion de s'écouler ensemble, créant ainsi un joint continu solide lors du refroidissement. Les mélanges oxygène-acétylène sont beaucoup plus utilisés que d’autres et occupent une place prépondérante dans l’industrie du soudage. La température de la flamme oxy-acétylène dans sa zone la plus chaude est d'environ 3 200°C, tandis que la flamme oxy-hydrogène atteint environ 1 900°C.

Procédés à l'état solide et techniques spécialisées

Le soudage à l'état solide permet d'assembler des matériaux sans fusion. Les procédés incluent :

• Soudage par friction (FRW) : le chauffage par frottement mécanique permet d'assembler sous pression des pièces, souvent utilisé dans l'automobile et l'aérospatiale.
• Soudage par friction-malaxage (FSW) : un outil rotatif génère de la chaleur et malaxe les matériaux le long du joint, très adapté pour l'aluminium.
• Soudage par ultrasons (USW) : vibrations ultrasoniques créent une liaison rapide et propre, courante en électronique et plasturgie.
• Soudage par explosion (EXW) : détonation contrôlée pour plaquer un métal sur un autre, utilisé pour revêtements et applications spécialisées.
• Soudage par diffusion (DFW) : pressions élevées et températures modérées permettent la diffusion atomique et une jonction sans fusion.
• Soudage à froid (CW) : application d'une forte pression sur des surfaces propres, assemblage sans chaleur pour certains métaux comme le cuivre.

Configurations de soudage - positions et accessibilité

Les positions de soudage influencent la technique et la difficulté d’exécution :

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1. Position à plat (1G, 1F) : la position la plus simple, métal en fusion tiré vers le bas, soudure plus rapide et plus facile.
2. Position horizontale (2G, 2F) : plus difficile, nécessite savoir-faire ; l'axe de la soudure est horizontal et la face de la soudure verticale.
3. Position verticale (3G, 3F) : la gravité tend à faire chuter le métal en fusion ; on utilise des techniques vertical-up ou vertical-down selon le besoin.
4. Position en plafond/aérienne (4G, 4F) : la plus complexe, le soudage se réalise depuis le bas du joint ; il faut garder la flaque de fusion petite.

Avantages, limites et sécurité

Avantages :

• Une bonne soudure sera plus résistante que le métal de base.
• Processus plus rapide que le rivetage et le moulage.
• Des joints rigides complets peuvent être fournis.
• Applicable à tous les métaux et alliages ; formes difficiles peuvent être produites.
• Équipement de soudage portable et facilement entretenable ; moins d'espace nécessaire que pour le rivetage.

Limites et dangers :

• Émet des radiations nocives, des fumées et nécessite une propreté impeccable.
• Les joints soudés peuvent être plus fragiles en fatigue; entraînent distorsion et contraintes internes.
• Nécessité de gabarits et d'accessoires pour maintenir les pièces ; travailleurs qualifiés et électricité requis.
• Les risques pour la santé dépendent de la composition des fumées et des gaz : irritation des voies respiratoires, fièvre des fondeurs, cancers, lésions nerveuses, asphyxie, etc.
• Les risques pour la sécurité comprennent brûlures, affections oculaires, électrocutions et blessures mécaniques.

Bon nombre de ces dangers peuvent être maîtrisés par des mesures d'élimination et de substitution (p. ex. éliminer la nécessité de souder ou utiliser un procédé générant moins de fumées), des mesures techniques (ventilation locale par aspiration), des pratiques de travail (retirer les revêtements avant soudage, former les travailleurs) et des équipements de protection individuelle (EPI).

Critères de sélection d'un procédé de soudage

Il existe de nombreux procédés de soudage utilisés industriellement pour souder des matériaux tels que les aciers au carbone, les aciers inoxydables, l'aluminium, le cuivre et ses alliages, le titane. Pour choisir le procédé le plus adapté, il faut des connaissances approfondies des exigences de fabrication :

• Compatibilité des matériaux (types d'alliages, propriétés mécaniques).
• Épaisseur des pièces et nécessité de pénétration.
• Vitesse et efficacité de production (ou automatisation possible).
• Qualité attendue et tolérances, apparence et contrôles non destructifs.
• Coûts (équipement, consommables, maintenance) et contraintes environnementales.
• Conditions d'application (atelier contrôlé, extérieur, sous-marin, etc.).

Applications industrielles et exemples d'utilisation

Les applications du soudage sont si différentes et si vastes qu'il n'existe aucune industrie métallurgique ni branche de l'ingénierie qui n'utilise pas le soudage sous une forme ou une autre : industrie automobile, transport maritime, aérospatial, construction. Le soudage est principalement utilisé pour la fabrication et tous types de travaux de fabrication. Le soudage MIG/MAG est populaire pour la carrosserie des véhicules, le soudage à électrode enrobée (SMAW) pour les structures en acier et les travaux extérieurs, le TIG pour les réparations nécessitant précision et esthétique, le SAW pour les gros ouvrages et le FCAW pour les réparations d'équipements lourds en extérieur.

Processus avancés et automatisation

Parmi les procédés assez courants mais non abordés ici on peut citer le soudage haute fréquence automatisé qui permet d'atteindre des vitesses de plusieurs m/s. Le soudage orbital est un procédé automatisé où l’électrode effectue un mouvement circulaire autour d’un tube ou d’une conduite, garantissant des soudures homogènes et esthétiques. Le soudage par friction-malaxage (FSW) est très prisé dans l’aérospatial pour assembler l’aluminium avec une intégrité structurelle élevée.

Qualité, contrôle et documentation

Il est important de sélectionner le procédé de soudage adapté à chaque application, et sa bonne exécution, car elle a une influence décisive sur la qualité et le coût des assemblages soudés ou des composants fabriqués. Le contrôle des travaux de soudage est plus difficile et plus coûteux que le travail de rivetage ; des codes de construction appliqués, des qualifications de procédures (WPS) et des qualifications de soudeurs sont souvent requises. Les informations techniques, y compris des tableaux de paramètres, ne sont données qu'à titre indicatif et doivent être validées expérimentalement pour chaque application.

Ressources et accompagnement technique

TRA-C industrie et des centres de formation comme l'institut des ressources industrielles offrent des solutions performantes et adaptées aux exigences spécifiques de chaque secteur. L’ensemblier équipementier fournit des solutions adaptées, performantes et économiques. Cette approche permet de répondre aux besoins variés des industries modernes, où chaque projet requiert une solution sur mesure.

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Comme vous le savez maintenant, le soudage est un processus d'assemblage solide dans lequel deux parties de métal forment ensemble une seule partie en chauffant les métaux jusqu'à leur point de fusion. Certains types de soudage sont réalisés par des machines et nécessitent un équipement spécialisé coûteux. Cet article technique récapitule les différents procédés de soudage développés sur le site.

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