Quels sont les principaux types de soudage sous flux gazeux ?

Qu’est-ce que le soudage ?

Le soudage est un processus d’assemblage de métaux par fusion avec ou sans l’utilisation de métal d’apport, permettant d’assurer la continuité métallique. Les matériaux concernés incluent l'acier, l'acier inoxydable, l'aluminium, le cuivre, le bronze, le titane, divers alliages métalliques et les matériaux revêtus.

Les procédés de soudage sont nombreux et peuvent être classés selon la source d’énergie et la technologie utilisée. Voici quelques exemples de procédés de soudage.

• Soudage à l'arc : cette catégorie regroupe le MMA (Manual Metal Arc), le GMAW (MIG-MAG), le FCAW (fil fourré), le GTAW (TIG), ainsi que les procédés plasma, à l’arc submergé (SAW).
• Soudage laser et soudage par faisceau d'électron
• Soudage à la flamme : principalement représenté par l’oxy-acétylène.
• Soudage par résistance : inclut les techniques par point, molette, bossage par exemple.
• Soudage à l’état solide : comprend le soudage par friction, ultrasons, diffusion et explosion.

Dans la majorité de ces procédés, la chaleur intense générée provoque la fusion rapide des matériaux de base et d’apport. La pérennité de la liaison est garantie par un système de protection thermique et chimique destiné à isoler le métal fondu de la contamination atmosphérique et de l’oxydation.

Il existe une autre classification des procédés de soudage selon leur mode de protection du bain de fusion : avec ou sans protection gazeuse.

Pour les procédés sous flux gazeux, un gaz ou un mélange gazeux est injecté via une torche pour créer une barrière physique entre le bain de fusion et l’air ambiant. Par exemple :

• Soudage TIG (GTAW) : utilise une électrode de tungstène non fusible sous un bouclier de gaz inerte, généralement de l’argon ou un mélange d’argon- hélium ou argon-hydrogène.
• Soudage MIG-MAG (GMAW) : emploie un fil électrode fusible amené en continu sous protection gazeuse. Le MIG utilise des gaz ou mélanges inertes (argon, ou mélange d'argon- hélium), tandis que le MAG utilise des gaz ou mélanges actifs (mélanges argon-CO₂ ou argon-O₂ ...) pour stabiliser l'arc et améliorer la pénétration sur les aciers ferreux.
• Soudage Plasma ou microplasma : proche du TIG, il utilise un gaz plasmagène pour concentrer l'énergie thermique.

Dans cet article, les principaux procédés sous flux gazeux sont décrits y compris :

• Soudage laser : des gaz alimentent la source laser et participent à la génération du faisceau laser et protègent les zones à assembler ou couper.
• Soudage à la flamme oxyacétylénique : la flamme oxyacétylénique est directement générée par l'oxygène et l'acétylène pour une chauffe rapide et puissante.
• Brasage, soudo-brasage : le brasage s'opère à l'aide d'un chalumeau oxyacétylénique par exemple.

D’autres procédés sans protection gazeuse existent aussi, la protection est générée par la fusion de composés chimiques (enrobage ou poudre), créant un gaz protecteur localisé et un laitier solide. Par exemple :

• Soudage MMA (Électrode enrobée) : l'enrobage de l'électrode se volatilise sous l'arc pour créer une atmosphère gazeuse, tandis que sa partie liquide forme un laitier protecteur qui isole le cordon pendant son refroidissement.
• Soudage Fil Fourré (FCAW-S) : le fil contient en son cœur un flux qui assure l'autoprotection sans nécessité de gaz auxiliaire, ce qui en fait le standard pour le soudage en extérieur soumis au vent.
• Soudage à l'arc submergé (SAW) : l'arc est totalement immergé sous un lit de poudre, empêchant tout contact avec l'atmosphère et toutes projections, idéal pour les fortes épaisseurs en atelier.

Soudage à l'arc MIG-MAG

Le procédé de soudage à l'arc électrique se caractérise par l'utilisation d'un fil d'apport métallique. Le procédé de soudage à l'arc électrique MIGMAG met en œuvre un fil électrode fusible généralement relié au pôle positif (+) du générateur et la masse au pôle négatif (-) sur la pièce à souder ; on parle de polarité inverse. Certains fils fourrés seront utilisés en polarité directe, connectés au pôle (-) du générateur.

La chaleur obtenue grâce à l'arc fait fondre le fil et les bords du joint à souder, créant ainsi un bain de fusion. L'arc électrique, pour être transféré efficacement, nécessite un gaz (ou un mélange de gaz) approprié. Ce gaz ou ce mélange de gaz protège le bain de fusion de l'oxydation de l'air ambiant et aura une fonction chimico-métallurgique active.

Les procédés de soudage utilisant un fil pour métal d'apport sont identifiés par les désignations suivantes :

• MIG (Metal Inert Gas) : procédé utilisé pour réaliser le soudage de l'aluminium et de ses alliages, et des alliages de cuivre. Pour des raisons métallurgiques, ceux-ci ne nécessitent que du gaz à très forte concentration d'argon ou d'hélium. L'appellation MIG est souvent utilisée « à tort » pour le soudage des aciers inoxydables, qui nécessitent en fait des mélanges gazeux « actifs » (MAG) à très faible degré d'oxydation, nécessaires pour stabiliser l'arc et assurer une bonne pénétration.

Gaz de protection associés au procédé MIG :

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• MAG (Metal Active Gas) : procédé de soudage des aciers au carbone non alliés ou faiblement alliés ou fortement alliés (aciers inoxydables). Les éléments oxydants du mélange gazeux sont dosés pour stabiliser l'arc, mais aussi pour influencer activement la forme de la pénétration. Par ailleurs, ils influencent la viscosité du métal et la compacité de la soudure.

Gaz de protection associés au procédé MAG :

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Soudage TIG

Le procédé de soudage TIG (Tungsten Inert Gas ) repose sur le principe du transfert d'un arc électrique qui s'établit entre une électrode de tungstène infusible et la pièce à souder, le tout protégé par un gaz ou un mélange de gaz inerte.

Pour le soudage des aciers au carbone non alliés ou faiblement alliés ou fortement alliés (aciers inoxydables), en courant continu, l'électrode tungstène est reliée au pôle négatif du générateur de soudage (cathode - polarité directe DC-) et à la pièce au pôle positif (anode). Pour le soudage des alliages aluminium, en courant alternatif (AC), l'électrode tungstène et la pièce à souder sont alternativement bombardées par les électrons.

L'électrode utilisée est en tungstène. Le métal en fusion et l'électrode sensible à l'oxydation de l'air ambiant sont protégés par une atmosphère inerte alimentée par la torche TIG.
Pour en savoir plus sur les électrodes tungstène TIG, lisez.
Pour en savoir plus sur les torches TIG, lisez.

La chaleur générée par l'arc fait fondre les bords à assembler. Ce procédé peut être manuel ou automatique, avec ou sans métal d'apport.

Gaz de protection associés au procédé TIG :

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Pour en savoir plus sur le soudage TIG, lisez.

Soudage plasma et microplasma

Soudage plasma

Le soudage plasma à arc transféré est un dérivé du soudage TIG utilisant également un électrode tungstène infusible sous protection gazeuse et uniquement en automatique.

L'arc est obtenu au travers d'une tuyère spécifique qui permettra sa constriction au travers d'un orifice calibré dans une colonne de gaz plasmagène (argon ou argon- hydrogène).

Sous protection gazeuse auxiliaire, l'arc va générer un bain de fusion, très souvent débouchant, appelé Keyhole, du fait de la pénétration obtenue en forme de “trou de serrure”. Le gaz de protection auxiliaire utilisé pour la protection du bain de fusion sera de l'argon ou des mélanges de type argon-hélium, argon-hydrogène, azote-hydrogène, selon la nature du matériau.

Plus largement utilisé pour les aciers fortement alliés, ce procédé permet de réaliser des travaux de soudage sur tôle inox jusqu'à 8 mm d’épaisseur, en bord à bord, sans préparation. Ce procédé est applicable aux matériaux suivants : aciers non alliés et faiblement alliés, aciers inoxydables, alliages de cuivre, nickel, cobalt, titane.

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Soudage microplasma

Le soudage micro-plasma utilise le même principe que le soudage plasma et peut être mis en œuvre en manuel et en automatique.

Comme l'indique son nom, le micro-plasma sera utilisé à des intensités allant de quelques dixièmes à quelques dizaines d'ampères. Il est utilisé sur des tôles de fines épaisseurs dans le cas d'un assemblage spécifique ou lors d'opérations de rechargement précis sur des moules.

Le procédé peut être appliqué aux matériaux suivants : acier inoxydable, nickel, cupro-nickel, ferro-nickel, titane, tantale, zirconium, cuivre, bronze, laiton, or, etc..

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Pour en savoir plus sur les procédés soudage à l'arc sous protection gazeuse, lisez.

Soudage laser

Le faisceau laser, généré par différentes sources, passe par une lentille qui permet de le focaliser sur une surface de quelques millimètres de diamètre.

Les sources laser peuvent être solides (Nd :YAG, fibre, diodes), gazeuses (laser CO₂).

Dans le cas des lasers CO₂, des mélanges très purs d'hélium, de dioxyde de carbone et d'azote sont utilisés pour générer le faisceau. Tous les types de sources utilisent un gaz de protection qui a pour fonction de protéger le bain de fusion. Le cordon de soudure a un aspect très profond et fin (« trou de serrure »).

Ces derniers temps, des systèmes laser à fibre très compacts sont largement utilisés, adaptés au soudage manuel comme alternative valable aux systèmes traditionnels à arc (MIG, MAG, TIG).

Pour en savoir plus sur les procédés soudage au laser, lisez.

Autres procédés d'assemblage

Soudage à la flamme (oxyacétylénique)

Utilisé pour certaines productions, pour l'entretien, la réparation et le bricolage, ce procédé est toujours largement utilisé ; la source de chaleur est une flamme oxyacétylénique (oxygène et acétylène) avec une chaleur élevée.

Dans le cas d'un assemblage où le métal d'apport et le métal de base sont de même nature, on parle de soudage autogène. Le métal d'apport et le matériau à souder ont alors une température de fusion identique.

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Brasage - Soudobrasage

Deux procédés similaires qui visent à travailler sur des pièces métalliques, de nature différente, en utilisant un métal d'apport qui fond à une température inférieure à celle des pièces à assembler.

Le brasage est un procédé d'assemblage dans lequel le métal d'apport pénètre par capillarité entre les pièces à assembler, préalablement décapées (élimination des oxydes). En refroidissant, le métal d'apport « s'ancre » aux composants à assembler (brasage). On parle de brasage tendre pour des températures de fusion inférieures à 450 °C et de brasage fort pour des températures de fusion supérieures à 450 °C.

Le soudobrasage, classé dans la catégorie des brasages forts, est plutôt utilisé sur des assemblages sans capillarité et sans fusion du métal de base. Il est utilisé dans la carrosserie automobile, la réparation et l'entretien en général.
Dans certaines applications, telles que l'orfèvrerie, on utilise une flamme oxyhydrique (oxygène-hydrogène) avec des caractéristiques réductrices et une forte concentration de la flamme.

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Quels sont les risques liés au soudage et quels sont les moyens de les éviter ?

Le soudeur peut être exposé à des risques variés qui nécessitent l'utilisation des Équipements de Protection Individuelle (EPI) dans le cadre de son activité.

• Rayonnements et lésions oculaires : l'arc électrique ou la flamme émettent des rayonnements ultraviolets (UV) et infrarouges (IR) intenses, ainsi qu'une luminosité extrême. Ces émissions peuvent provoquer des lésions oculaires graves (coup d'arc) et des brûlures cutanées. Le port d'un masque de soudage, adapté au procédé de soudage mis en œuvre, est impératif pour protéger les yeux et le visage.

Point d’attention pour les applications mettant en œuvre un faisceau laser : Les EPI utilisés pour le soudage à l’arc ne sont pas adaptés aux procédés laser. La directive européenne 2006/25/CE, fixant des obligations aux employeurs sur l’utilisation des Rayonnements Optiques Artificiels (ROA), impose une protection rigoureuse en raison des risques associés aux faisceaux laser, notamment pour les yeux et la peau.

• Risques thermiques et projections : la fusion des métaux génère une chaleur radiante intense et des projections de métal en fusion (spatter). Chaque partie du corps doit être protégée par des EPI spécifiques : gants, manchettes, tabliers, couvre-chefs, guêtres ...
• Risques respiratoires et toxicité : la fusion des métaux, des enrobages et des flux génère des fumées et des oxydes métalliques potentiellement toxiques. La prévention repose sur les moyens de protection (cagoule ventilée), de captage (torche aspirante, bras aspirant) et une ventilation adéquate de la zone de travail.
• Risques électriques : le circuit de soudage utilise des courants élevés. Il est impératif d'utiliser des équipements conformes aux normes de soudage en vigueur et de procéder à des maintenances régulières pour éviter tout arc parasite ou choc électrique.
• Risques d'incendie et environnementaux : la chaleur et les projections peuvent déclencher des incendies. Le poste de travail doit être exempt de matières inflammables et les connecteurs doivent être parfaitement fixés pour éviter toute surchauffe.

Le saviez-vous ?

Voici les principaux acronymes utilisés en soudage :

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