Chapitre 6 Chapitre 6 : Soudage : Soudage : Soudage...

Chapitre 6Chapitre 6Chapitre 6Chapitre 6 : Soudage : Soudage : Soudage : Soudage –––– Brasage Brasage Brasage Brasage ---- Oxycoupage Oxycoupage Oxycoupage Oxycoupage

6.1 Généralités ....................................................................................................................... 1

6.2 Soudage au chalumeau.................................................................................................... 1

6.2.1 Choix du gaz ......................................................................................................................... 1

6.2.2 Examen de la flamme ...........................................................................................................2

6.2.3 Chalumeau............................................................................................................................3

6.2.4 Soudage à gauche et soudage à droite..................................................................................3

6.2.5 Diamètre de la baguette d’apport .........................................................................................4

6.2.6 Contraintes résiduelles..........................................................................................................4

6.2.7 Stockage des gaz...................................................................................................................4

6.2.8 Production directe de l’acétylène..........................................................................................4

6.3 Soudage à l’arc manuel....................................................................................................5

6.3.1 Polarité ..................................................................................................................................6

6.3.2 Electrodes enrobées..............................................................................................................6

6.4 Soudage TIG ...................................................................................................................8

6.5 Soudage MIG...................................................................................................................8

6.6 Soudage MAG .................................................................................................................9

6.7 Soudage sous flux solide .................................................................................................9

6.8 Soudure par points ........................................................................................................ 10

6.9 Soudage au galet (ou à la molette) ................................................................................ 12

6.10 Soudage en bout par résistance ................................................................................... 12

6.11 Soudage en bout par étincelage ................................................................................... 13

6.12 Soudage par frottement ............................................................................................... 13

6.13 Brasage......................................................................................................................... 14

6.13.1 Mouillage........................................................................................................................... 14

6.13.2 Résistance mécanique....................................................................................................... 14

6.13.3 Brasures courantes ............................................................................................................ 14

6.14 Oxycoupage ................................................................................................................. 15

6.15 Bibliographie – Soudage, brasage, oxycoupage.......................................................... 15

Mise à forme des matériaux Chapitre 6 : Soudage, brasage, oxycoupage

6-1

6.1 Généralités

Dans la vie quotidienne, on rencontre différentes constructions soudées (pieds de table). Le but de cette leçon est de vous présenter les différents types de soudage. Les différents types de soudage seront :

• Soudage à l’acétylèneSoudage à l’arc manuelSoudage TIG (Tungsten Inert Gas)

• Soudage MIG (Metal Inert Gas)

• Soudage MAG (Metal Active Gas)

• Soudage sous flux solide

• Soudure par points

• Soudage par frottement

• Soudage des thermoplastiques (ce type ne sera pas présenté dans ce cours) Le soudage est un assemblage par fusion locale et apport éventuel de métal fondu. Le métal de base et le métal d’apport doivent se mélanger intimement sur une certaine zone de pénétration. Pour souder, il faut donc une source de chaleur aussi concentrée que possible. Un des problèmes du soudage est d’éviter l’oxydation du métal. En effet, à haute température, le fer a une très grande affinité pour l’oxygène.

6.2 Soudage au chalumeau

6.2.1 Choix du gaz

La source de chaleur est une flamme. Une comparaison de différents gaz possibles (figure 6-1) montre que la température la plus élevée est obtenue avec l’acétylène C2H2, pour une proportion d’environ 1,2 volume d’O2 pour un volume de C2H2.

Figure 6-1 : Comparaison de la température de diverses flammes


6-2

6.2.2 Examen de la flamme

Un examen de la flamme (figure 6-2) permet de détecter plusieurs zones importantes :

• Dans le dard (zone éblouissante), les gaz s’échauffent.

• La zone suivante est lumineuse et est le siège de la combustion primaire. Cette combustion est incomplète. La réaction chimique est une réaction de

réduction : C2H2 + O2 → 2 CO + H2 Cette combustion est très exothermique. La zone qui suit est réductrice

(présence de CO) et très chaude ( ≈ 3100 °C). Le soudage devra être réalisé dans cette zone.

• Le panache sera le siège de la combustion secondaire où deux réactions se produiront :

2 CO + O2 → 2 CO2

2 H2 + O2 → 2 H2O

La température y est plus faible (≈ 2500 °C). On notera que l’acétylène est le seul gaz pour lequel la formation réductrice 2 CO + H2 est stable. C’est donc le seul gaz qui puisse être utilisé sans désoxydant.

Figure 6-2 : Examen de la flamme


6-3

6.2.3 Chalumeau

La composition du chalumeau est décrite dans la figure 6-3. Sur la partie gauche de l’image supérieure, nous voyons les arrivées des deux gaz : l’oxygène et l’acétylène. La lance contient le dispositif de mélange des deux gaz ainsi que la buse qui permet l’ajustage de la flamme.

6.2.4 Soudage à gauche et soudage à droite

Le soudage à gauche convient le mieux pour les tôles de faible épaisseur (e < 5 mm). Le bain de fusion est en effet peu important et il se solidifie rapidement.

Le soudage à droite s’impose pour les fortes tôles

(e ≥ 5 mm), car le bain de fusion, important se solidifie lentement et risquerait, en soudage à gauche, de s’écouler.

Figure 6-3 : Chalumeau

Figure 6-4 : Soudage à gauche

Figure 6-5 : Soudage à droite


6-4

6.2.5 Diamètre de la baguette d’apport

Le diamètre de la baguette d’apport doit respecter la loi suivante :

12

ed mm≈ + où e correspond à l’épaisseur de la tôle à souder.

6.2.6 Contraintes résiduelles

Le retrait du métal fondu provoque inévitablement des contraintes résiduelles ou des déformations de retrait.

Ces contraintes peuvent être très dangereuses et ont été responsables de nombreux accidents. Une solution partielle consiste à faire des cordons plus petits, en plusieurs passes.

6.2.7 Stockage des gaz

L’oxygène se vend en bonbonnes de 200 bar. Une bouteille fait 10 m³ N (lire m³ normaux1). L’acétylène est difficile à comprimer : au-delà de 2 bar, il tend à exploser. Mais il se dissout très bien dans l’acétone (l’acétone dissout 25 fois son volume de C2H2 pour chaque bar appliqué). La pression du mélange ne peut dépasser 17 bar, ce qui correspond à 6 m³ N par bouteille (la bouteille tient donc un peu moins longtemps que celle d’oxygène). La bouteille est garnie de matière poreuse (charbon de bois) qui absorbe et stabilise la solution. Il ne faut jamais coucher les bonbonnes d’acétylène, pour éviter l’écoulement de l’acétone.

6.2.8 Production directe de l’acétylène

Certains ateliers de soudure utilisent un générateur d’acétylène, qui fonctionne suivant la réaction

CaC2 + 2 H2O → Ca(OH)2 + C2H2 identique à celle de la lampe à carbure utilisée en spéléologie et, jadis, pour les phares d’automobiles. 1 1 m³ normal correspond à 1 m³ de gaz à une température de 20°C et une pression de 1 atmosphère (101325 Pa).

Figure 6-6 : Déformation angulaire

Figure 6-7 : Retraits transversal et longitudinal Figure 6-8 : Cordons en plusieurs passes


6-5

6.3 Soudage à l’arc manuel

L’arc électrique permet de réaliser une soudure autogène de matériaux métalliques de même nature, avec métal d’apport de composition sensiblement identique aux pièces à assembler.

L’arc est un flux continu d’électrons (figure 6-10) accompagné d’ionisation, lumière et chaleur. L’anode (+), sur laquelle atterrissent les électrons, est un peu plus chaude que la cathode (-).

Températures atteintes dans l’arc suivant les électrodes

Charbon Métal Cathode 3100 °C 2400 °C Anode 4300 °C 3200 °C

La fusion, localisée et continue, est obtenue au point d’impact d’un arc électrique créé instantanément entre les pièces à assembler et l’extrémité d’une électrode. Au point d’arc, les deux pièces et le métal d’apport fondent, créant une soudure autogène (figure 6-11). Le courant électrique de soudage, continu ou alternatif, est défini en tension et intensité. L’arc est fonction de trois paramètres : tension aux bornes, intensité du courant le parcourant et distance entre l’anode et la cathode. La différence de température entre l’anode et la cathode dépend de l’intensité du courant, de la différence de potentiel entre l’anode et la cathode et de la distance entre elles.

Figure 6-9 : Soudage à l’arc manuel

Figure 6-10 : Arc électrique


6-6

6.3.1 Polarité

En général, on soude en polarité directe, cette terminologie signifie que la pièce correspond à l’anode (+) et la baguette à la cathode (-). La polarité inverse est moins stable. En courant continu, l’arc est stable ; en courant alternatif, la stabilité de l’arc est assurée par assistance (d’un oscillateur haute fréquence, d’un enrobage des électrodes, …). En règle générale, les intensités de soudage (max – min) sont indiquées sur le conditionnement des électrodes.

6.3.2 Electrodes enrobées

Sa fusion constitue l’apport de métal. Elle amorce, maintient, dirige l’arc électrique et s’oppose avec son enrobage, à l’oxydation par l’air ambiant d’un métal en fusion. Les électrodes sont normalisées avec des diamètres standards (1,2 ; 1,6 ; 2 ; 2,5 ; 3,15 ; 4 ; 5 et 6,3) et des couleurs conventionnelles spécifiant leurs caractéristiques.

Couleur Rose Rouge Jaune Blanc Vert

Rm [daN/mm²]

< 40 40 à 48 48 à 56 56 à 65 > 65

Le choix est fonction des pièces à assembler (matériau, épaisseur, méthode). Le diamètre de l’électrode doit être inférieur ou égal à l’épaisseur à souder.

L’enrobage de l’électrode se dépose en laitier protecteur sur le bain d’alliage en fusion : stabilise l’arc, désoxyde l’alliage, favorise la cristallisation. Sa fusion est retardée par rapport au métal de l’électrode créant un canon directement de l’arc et engendrant une atmosphère ionisée et désoxydante. Il a des effets électrique, mécanique et métallurgique :

- Electrique, par l’amorce et le maintien de l’arc stable.

- Mécanique, par la viscosité du laitier maintenant le métal en

fusion avec formation d’un cratère guidant les gouttes. - Métallurgique, par la protection du métal en fusion contre l’oxydation,

l’atténuation des effets de trempe, le dégazage.

Figure 6-11 : Electrodes enrobées


6-7

Soudage à plat

∅∅∅∅ des électrodes

Pré

sen

tati

on

des

ex

trém

ités

à a

ssem

ble

r

e –

ép

ais

seu

r

a -

écart

em

en

t

h -

talo

n

Ch

an

frein

(αα αα

)

Co

nd

itio

ns

de s

ou

dag

e

1ère p

ass

e

Pass

es

suiv

an

tes

Po

ids

du

méta

l à d

ép

ose

r

par

mètr

e d

e s

ou

du

re (

g)

2 1 2,5 70

3 2

san

s

3,15

san

s

100

4 3 4 4 220

5 3,5 4 5 330

6 4

san

s

san

s

5 5 420

6 2 1,5 80° 3,15 4 250

8 2,5 2 70° 3,15 4 470

10 3 2 70° 3,15 4 700

12 1,5 60° 3,15 4 490 16 2 60° 3,15 4 900 20 2,5 60° 4 5 1250 30 3 60° 4 5 2700

40 3,5

san

s

60°

Bo

ut

à b

out

avec

rep

rise

à l’e

nve

rs

4 5 4200


6-8

6.4 Soudage TIG

TIG = Tungsten Inert Gas

L’électrode est en tungstène. Le gaz est de l’argon. Le métal d’apport est amené en baguette séparée (figure 6-12). On utilise le TIG pour l’aluminium, l’inox et l’acier en grandes épaisseurs.

Pour les métaux lourds, on utilise du courant continu en polarité directe (figure 6-13). La polarité inverse est à éviter, car elle entraîne un bombardement de l’électrode de tungstène par les électrons, ce qui l’endommage. L’aluminium se soude en courant alternatif. C’est qu’en polarité directe, la pièce positive, s’oxyde aisément, et cet oxyde est réfractaire. En alternatif, au moment où la pièce redevient

négative, la couche d’oxyde est dissipée.

6.5 Soudage MIG MIG = Metal Inert Gas

Le soudage MIG s’applique à l’acier et à l’aluminium (figure 6-14). C’est un procédé automatisable. Le métal d’apport se présente sous forme de fil qui se déroule à vitesse constante. On travaille toujours en polarité inverse (fil positif), ce qui accroît la vitesse de fusion. Cette polarité est d’ailleurs nécessaire pour souder l’aluminium (voir plus haut).

Figure 6-12 : Soudage TIG

Figure 6-13 : Soudage de métaux lourds

Figure 6-14 : Soudage MIG


6-9

6.6 Soudage MAG

MAG = Metal Active Gas Très voisin du procédé MIG, il s’en distingue par l’utilisation de CO2 au lieu d’argon. A haute température, le CO2 se décompose :

CO2 → CO + ½ O2

Il se recompose sur la pièce froide :

CO + ½ O2 → CO2 Et cette réaction exothermique améliore la pénétration.

6.7 Soudage sous flux solide

Le flux est une poudre jouant le même rôle que l’enrobage d’une électrode. Il forme sur le cordon un laitier qui se détache aisément (figure 6-15). L’alimentation en fil est comparable à celle du procédé MIG. Ce procédé permet de très fortes intensités et, par conséquent, de grandes pénétrations. Conçu pour être entièrement automatique, ce procédé s’applique particulièrement aux grandes soudures du génie civil.

Figure 6-15 : Soudage sous flux solide


6-10

6.8 Soudure par points

Ce procédé s’applique aux tôles. Ses avantages sont :

- Un faible échauffement local, donc de faibles contraintes résiduelles.

- Une mise en œuvre plus rapide et une plus grande légèreté que les boulons ou rivets. Le soudage par points est très utilisé en automobile. Les électrodes sont en cuivre refroidi à l’eau. Les différentes étapes (figure 6-16) sont :

a. Accostage (pincer les tôles). b. Passage du courant et soudure. La pression diminue parce que le métal fond. c. Forgeage : plus de courant mais on presse. d. Ecartement des électrodes.

L’extrémité des électrodes est conique avec un diamètre au sommet

2 3 si 8

2 2 si 8

e mm e mmd

e mm e mm

⋅ + <=

⋅ + ≥

où e correspond à l’épaisseur à souder.

Figure 6-16 : Soudure par points


6-11

La figure 6-17-a représente une machine à souder par points est une variante de la précédente où une des pièces porte des bossages qui préfigurent les points de soudure. Les figures 6-17-b et -c représentent le design des électrodes permettant un accès aisé aux pièces devant être soudées.

Soudage par point dans l’usine Avtoframos qui construit les voitures Logan (Renault).

Figure 6-17 : Soudure par bossages


6-12

6.9 Soudage au galet (ou à la molette)

Ce procédé (figure 6-18) permet d’obtenir des points très rapprochés et même jointifs. Ici, on maintient toujours la pression de forgeage. Utilisation : soudures étanches pour les réservoirs par exemple.

6.10 Soudage en bout par résistance Les pièces étant pressées, on y fait passer un courant.

Figure 6-18 : Soudage au galet

Figure 6-19 : Schéma de zone de soudage par résistance


6-13

6.11 Soudage en bout par étincelage

Les pièces sont placées bout à bout. Le courant étant établi, on les écarte légèrement, de manière à en faire jaillir un arc (étincelage). On rapproche et ré écarte plusieurs fois les pièces de la même façon, selon leur grandeur. Lorsque la température est suffisante, on presse les deux pièces. Après un certain temps de refroidissement, on fait passer un courant moindre, pour produire un recuit de stabilisation et relaxation.

6.12 Soudage par frottement Une pièce est mise en rotation (1). Lors de ce mouvement, on applique une force de compression (2) de manière à avoir les deux pièces à souder en contact. Cette force augmente (3) et on arrête la rotation dès que des lèvres apparaissent (4).

Figure 6-20 : Cycle de soudage par étincelage

Figure 6-21 : Procédé de soudage par frottement


6-14

6.13 Brasage

Dans le cas du brasage, le métal d’apport est différent du métal de base. La brasure s’infiltre entre les joints de grains et, parfois, elle diffuse dans le réseau.

6.13.1 Mouillage

Sur un métal froid, une goutte de métal en fusion ne mouille pas (figure 6-22). Il faut donc chauffer le métal de base. En outre, les pièces à assembler doivent être propres et rugueuses. C’est le rôle du décapant.

6.13.2 Résistance mécanique

Une brasure travaille normalement en cisaillement. Il existe une épaisseur optimale pour laquelle la brasure a une résistance au cisaillement maximale. Le plus souvent on calcule les brasures de manière que l’assemblage ait au moins la résistance de la plus faible des pièces assemblées.

6.13.3 Brasures courantes

- Brasure de l’électronicien (étain, plomb) - Brasure Al-Si

- Brasure Cu-Sn (bronze Tobin) : sert entre autres à braser des plaquettes de carbure sur les outils (travail en compression)

- Brasure à l’argent

Figure 6-22 : Mouillage

Figure 6-23 : Exemple de brasure


6-15

6.14 Oxycoupage

La fusion localisée du matériau métallique sous l’action de la combustion d’un gaz

comburant (acétylène, propane, gaz de ville, hydrogène) avec apport d’oxygène pur, produit une température de 1300 °C (figure 6-24).

La découpe est obtenue par réaction d’oxydation thermique, avec températures

d’amorçage et de fusion de l’oxyde formé au plus égales à celle de fusion du métal. Le jet d’oxygène fusionne le métal et évacue les oxydes formées permettant le contact permanent oxygène/métal (les oxydes sont à l’état liquide et s’évacuent sans difficulté, chassées par le jet de coupe) (figure 6-25).

Ce procédé s’applique aux aciers de carbone, jusque C = 1,6 %. Il ne fonctionne pas

pour : - Les aciers au chrome, car Cr2O3 est réfractaire

- L’aluminium car Al2O3 est réfractaire

6.15 Bibliographie – Soudage, brasage, oxycoupage

1. Debongnie J-F. (1992). Processus industriels de mise à forme. Liège : Université de Liège. 2. Fanchon J-L. (2004). Guide des sciences et technologies industrielles. Paris : AFNOR-Nathan.

3. Kalpakjian S. & Schmid S. R. (2006). Manufacturing, Engineering & Technology. Upper Saddle

River : Pearson Education.

Figure 6-24 : Chalumeau d’oxycoupage Figure 6-25 : Jet de découpe par oxycoupage

Chapitre 6 Chapitre 6 : Soudage : Soudage : Soudage...

Documents

Transcript of Chapitre 6 Chapitre 6 : Soudage : Soudage : Soudage...