Cet article aborde le concept d'énergie de soudage, afin de décrire et de quantifier quelques spécificités du soudage que sont les phénomènes locaux de fusion et de solidification ainsi que l'écoulement thermique et les effets qui en résultent. Il présente des méthodes de calcul de températures dans la pièce à souder et introduit les notions de préchauffage, de température entre passes (si plusieurs cordons de soudures sont nécessaires) et de température initiale des pièces à souder comme des outils nécessaires, entre autres, pour maîtriser le soudage et présente, de manière succincte, les principales méthodes d'essais mécaniques des soudures. L'article comporte quelques études de cas sur des matériaux de type « acier ».
Présentation générale Le soudage est une technique d'assemblage permanent qui établit une continuité de nature entre les pièces soudées. Le terme soudure est utilisé pour désigner l'alliage reliant les pièces à assembler formé par la fusion des bords à assembler, avec ou sans adjonction d'un produit d'apport. La soudure peut donc être le résultat du seul mélange des matériaux de base (les matériaux à souder) ou du mélange des matériaux de base et d'un produit d'apport (pour le métal, on parle de métal d'apport). En ce qui concerne les métaux, beaucoup sont soudables moyennant les études préalables requises pour la mise au point du mode opératoire ; citons les aciers (dits soudables), le cuivre, l'aluminium, le nickel et leurs alliages.
Lors du soudage, il y a fusion locale des éléments à assembler, contrairement à ce qui se passe dans le cas du brasage, du soudage à froid ou par , où il n'y a jamais fusion des matériaux à assembler.
Soudage des métaux
En ce qui concerne les métaux on distingue trois types de soudures : La soudure homogène, dans laquelle les métaux de base et le métal d'apport éventuel sont tous de même nature, La soudure hétérogène de type « A » qui associe des métaux de base de même nature avec un métal d'apport d'une autre nature, et La soudure hétérogène de type « B » où les métaux de base et le métal d'apport sont tous trois de natures différentes.
Soudage des plastiques
Le soudage des plastiques est une technique d'assemblage permanent qui assure une continuité de même nature par fusion des surfaces à joindre, rapprochement, contact puis maintien jusqu'à solidification du mélange ainsi formé. La plupart des plastiques appartiennent à deux catégories, les thermoplastiques qui sont soudables et les thermodurcissables qui ne le sont pas. Les plus communs de ces plastiques soudables sont le polychlorure de vinyle (PVC), le polypropylène, l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS), le polyéthylène et les acryliques. Comme pour le soudage des métaux, il existe divers procédés utilisant ou non des produits d'apport.
Sources d'énergie électrique Arc électrique Beaucoup de procédés de soudage utilisent l'arc électrique comme source d'énergie de fusion car la chaleur de l'arc peut être facilement concentrée et maîtrisée. La physique du transfert de métal à travers un arc électrique a été largement étudiée au cours du . L'arc électrique consiste en un flot relativement élevé de courant électrique maintenu à travers une colonne de gaz ionisé appelé plasma.
La puissance d'un arc peut être exprimée en unités électriques comme le produit de la tension aux bornes de l'arc par le courant passant à travers l'arc. Pour des valeurs données de de tension d'arc et de d'intensité, la puissance calculée de l'arc électrique est de . La température de l'arc peut atteindre . Toute cette puissance brute générée par l'arc électrique n'est pas utilisée de manière effective dans les procédés de soudage. Le taux d'efficacité d'utilisation de la chaleur peut varier de 20 à 90 pour cent selon les propriétés de convection, de conduction, de radiation ainsi que les projections responsables de ces pertes de chaleur. Par exemple, le taux d'efficacité d'utilisation de la chaleur est relativement peu élevé en soudage TIG, moyen en soudage à l'électrode enrobée et élevé à l'arc sous flux pulvérulent.
L'utilisation d'un arc plasma (ou d'une torche plasma) comme source de chaleur est plus récent. L'arc plasma s'obtient par constriction d'un arc électrique dans un vortex de gaz plasmagène (hélium, argon) créé par une tuyère intégrée aux torches plasma. C'est donc au moyen de forces mécaniques exercées sur l'arc électrique que celui-ci passe à l'état de plasma. La température de l'arc plasma peut atteindre .
L'effet Joule
L'effet Joule est utilisé dans différents procédés de soudage comme les procédés de soudage par résistance, électrogas et électroslag.
Dans le cas du soudage par résistance la chaleur générée s'exprime comme suit :
avec :
Énergie générée en joules ou watts.seconde, Courant électrique en ampères, Résistance électrique au droit des électrodes en ohms, Temps pendant lequel le courant électrique est établi entre les électrodes.
Dans les cas de soudage electrogas ou électroslag la chaleur générée s'exprime comme suit :
avec :
Énergie générée en joules ou watts.seconde, Tension de soudage, en volts, aux bornes de la résistance formée par le bain en fusion, Intensité, en ampères, traversant le bain de fusion, Temps pendant lequel le courant électrique est établi entre l'électrode fusible et le bain de fusion.
Sources d'énergie chimique La flamme
Dans le cas du soudage à la flamme, celle-ci doit posséder deux caractéristiques qui sont :
La capacité à atteindre la température de fusion, et La capacité à maîtriser l'atmosphère environnant le bain de fusion qui peut, selon le réglage du mélange combustible / comburant, être neutre, réductrice ou oxydante.
Différents gaz combustibles sont utilisés, les flammes résultantes peuvent être classées selon le maximum de température atteint par une flamme neutre :
Nature du gazFlamme neutre Nom °C Max °C Acétylène 3102 3100MAPP(*) 2902 2600Propylène 2857 2500Hydrogène 2871 2390Propane 2777 2450GNL / méthane 2742 2350 (*) Methylacétylène-propadiène (stabilisé)
La réaction de combustion de l'acétylène dans l'oxygène se produit en deux étapes : La première réaction se produit juste en sortie du bec du chalumeau dans le cône lumineux bleuté (dard) de la flamme. Elle est le résultat de la combustion du mélange oxygène/acétylène tel qu'effectué par les réglages du chalumeau. Cette réaction est oxydante, le dard ne doit jamais être maintenu en contact avec les pièces à souder.
C2H2 + O2 → 2CO + H2 +
Les produits de combustion issus de la première réaction brûlent dans l'oxygène de l'air pour former le panache de la flamme. Selon les réglages du chalumeau le panache peut être oxydant, neutre ou réducteur. La température maximum de la flamme se situe à du sommet du dard, dans le panache de la flamme.
4CO + 2H2 + 2 → 4CO2 + 2H2O +
La chaleur totale fournie par la flamme oxyacétylénique est de . La première réaction fournit 36 % de la chaleur totale.
La réaction exothermique
La soudure exothermique regroupe tous les procédés qui utilisent une source de chaleur obtenue par une réaction chimique exothermique créée entre les bords de pièces à souder. L'exemple le plus représentatif de l'utilisation de ce procédé est le raboutage de rails de chemins de fer (voir fig. 4).
Les réactions exothermiques les plus couramment réalisées sont les suivantes :
À base d'oxydes de fer et d'aluminium :
3Fe3O4 + 8Al → 9Fe + 4Al2O3 + ()
3FeO + 2Al → 3Fe + Al2O3 + ()
Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3 + ()
À base d'oxydes de cuivre et d'aluminium :
3CuO + 2Al → 3Cu + Al2O3 + ()
3Cu2O + 2Al → 6Cu + Al2O3 + ()
À base de l'oxyde de nickel et d'aluminium :
3NiO + 2Al → 3Ni + Al2O3 + ()
À base de l'oxyde de chrome et d'aluminium :
Cr2O3 + 2Al → 2Cr + + ()
À base d'oxydes de manganèse et d'aluminium :
3MnO + 2Al → 3Mn + Al2O3 + ()
3MnO2 + 4Al → 3Mn + 2Al2O3 + ()
Physique du soudage La chaleur et/ou la pression sont les sources d'énergie couramment utilisées en soudage. La physique du soudage met en œuvre des phénomènes très complexes de la thermodynamique, la chaleur, l'électricité, le magnétisme, le LASER et l'acoustique... Le soudage implique généralement l'utilisation d'une source de chaleur localisée aux abords du joint soudé comme celle obtenue par effet Joule, utilisé dans le procédé de soudage par résistance (électrique), obtenu au droit du point de soudure lors du passage du courant électrique dans la résistance de contact formée par les deux pièces à souder maintenues pressées l'une contre l'autre. La friction ou la décharge électrique (étincelage ou arc électrique) entre pièces à souder illustrent aussi l'application locale de l'énergie de soudage utilisée de manière performante dans bon nombre de procédés.
À peu près toutes les sources imaginables de focalisation de chaleur ont été utilisées en soudage à une époque ou à une autre. Les différentes sources de chaleur utilisées d'importance technique majeure sont :
les réactions exothermiques (la flamme et l'aluminothermie), l'arc électrique et les plasmas, le faisceau d'électrons, les LASER, l'effet Joule (soudage par résistance, l'électroslag, l'électrogas).
Les procédés de soudage utilisant ces sources d'énergie sont habituellement désignés voire identifiés à partir du type d'énergie employé. La source de chaleur peut être soit mobile soit fixe par rapport aux pièces à souder, selon le type de procédé ou le genre d'application. Ces procédés sont :
Le soudage à l'arc électrique : à l'électrode enrobée, au fil nu sous protection gazeuse, au fil fourré avec ou sans protection gazeuse, sous gaz inerte avec ou sans métal d'apport, plasma sous gaz inerte avec ou sans métal d'apport, submergé sous flux pulvérulent,
Le soudage par effet Joule : par résistance (par point, à la molette...), au fil nu ou fourré sous protection gazeuse ou nappe de flux pulvérulent,
Le soudage à la flamme oxyacétylénique
Le soudage exothermique
Le soudage LASER
Le soudage par faisceau d'électron
En termes de production (tonnage livré, total des ventes), ces procédés sont les plus importants avec une prédominance du procédé de soudage à l'électrode enrobée.
Dans tous ces procédés, la chaleur est focalisée sur les bords ou surfaces à assembler et appliquée de proche en proche tout le long d'un tracé correspondant au futur joint soudé. Dans ces types de procédés de soudage, le transfert de chaleur doit être suffisant pour disposer de l'énergie nécessaire pour produire la fusion locale des matériaux à assembler.
Le transfert de puissance est la vitesse à laquelle l'énergie est délivrée par unité de temps de la source de chaleur à la pièce à souder et exprimée en watts (joules par seconde). L'intensité est l'expression du transfert de puissance par unité de surface effective de contact entre la source de chaleur et la pièce à souder, généralement exprimé en watts par mètre carré ou millimètre carré. L'intensité est, sans ambiguïté possible, la mesure de la chaleur applicable à toutes sortes de sources de chaleur (il arrive parfois que des comparaisons qualitatives de sources de chaleur soient basées sur la température, un index d'intensité satisfaisant pour les arcs électriques et les flammes, mais il serait inapproprié de parler de température pour un faisceau d'électron ou un faisceau LASER).