Le soudage est un procédé de fabrication fondamental utilisé dans d'innombrables secteurs industriels. Ce guide présente un aperçu détaillé de ses principes, une description de ses différentes méthodes et un aperçu des technologies de pointe qui façonnent son avenir.
Introduction au soudage
Le soudage est un Processus de fabrication Ce procédé assemble des matériaux, généralement des métaux, en utilisant une chaleur intense pour faire fondre les pièces et en les laissant refroidir, ce qui provoque leur fusion. La pression peut également être utilisée conjointement à la chaleur, ou seule, pour réaliser une soudure. Ce procédé crée une liaison permanente grâce aux forces intermoléculaires au niveau de la jonction.
Les méthodes de soudage sont généralement classées en 3 principaux types selon le niveau de chauffage et les caractéristiques du procédé.
1. Soudage par fusion : Ce procédé consiste à chauffer localement les pièces à souder au niveau du joint jusqu'à fusion complète, formant ainsi un bain de fusion. Un métal d'apport est souvent ajouté. En refroidissant et en se solidifiant, le bain forme un cordon de soudure, créant une pièce unique et indissociable. Parmi les méthodes courantes, on trouve le soudage au gaz, le soudage à l'arc, le soudage électroslag, le soudage plasma, le soudage par faisceau d'électrons et le soudage laser.
2. Soudage à l'état solide (soudage sous pression) : Ce type de soudage nécessite l'application d'une pression, avec ou sans apport de chaleur externe. L'assemblage se fait à l'état solide, sans fusion des métaux de base. Les méthodes courantes comprennent le soudage par résistance, le soudage par friction, le soudage à froid sous pression, le soudage par diffusion et le soudage par explosion.
3. Brasage et soudure : Cette méthode utilise un métal d'apport (un alliage de brasage) dont le point de fusion est inférieur à celui des métaux de base. Le métal d'apport fond et est absorbé par capillarité dans le joint, où il diffuse avec le métal de base pour former une liaison solide. Les pièces à souder ne fondent pas et ne subissent généralement aucune déformation plastique.
Avantages du soudage
Économies de matériaux et structures plus légères : Le soudage permet une utilisation efficace des matériaux, ce qui donne des conceptions plus légères et plus profilées que le moulage ou le rivetage.
Construction polyvalente et complexe : Elle permet la création de composants volumineux et complexes en assemblant des pièces plus petites et plus simples, ce qui simplifie les processus de fonderie, de forgeage et d'usinage pour des résultats économiques et techniques optimaux.
Joints haute performance : Les joints soudés offrent une excellente résistance mécanique et d'excellentes propriétés d'étanchéité.
Structures bimétalliques : Le soudage permet d'assembler des métaux différents, ce qui permet de réaliser des structures tirant parti des propriétés uniques de chaque matériau.
Aperçu des procédés de soudage
I. Soudage à l'arc
Le soudage à l'arc utilise une source d'alimentation pour créer un arc électrique entre une électrode et le matériau de base afin de faire fondre les métaux au point de jonction. Un arc électrique est un phénomène de décharge gazeuse intense et continue. Une différence de potentiel est maintenue entre les électrodes positive et négative, et le gaz qui les sépare s'ionise. L'arc est généralement amorcé en touchant brièvement la pièce à souder avec l'électrode, puis en la retirant, créant ainsi un court-circuit qui provoque l'amorçage de l'arc. Une fois l'arc établi, la source d'alimentation maintient la différence de potentiel nécessaire à son maintien.
Visage: Les arcs de soudage se caractérisent par une basse tension (généralement de 20 à 30 V), un courant élevé (de plusieurs dizaines à plusieurs milliers d'ampères), une température élevée (jusqu'à 5 000 K), une forte densité d'énergie et une grande mobilité. L'arc se compose de trois zones : la cathode, l'anode et la colonne d'arc. Les sources d'alimentation pour le soudage à l'arc sont classées en quatre catégories : courant alternatif (CA), courant continu (CC), alimentation pulsée et onduleur.
Les types courants de soudage à l'arc sont les suivants.
1. Soudage à l'arc sous protection métallique (SMAW)
Également connu sous le nom de soudage à l'arc manuel (MMAW), le soudage à l'arc à l'arc (SMAW) est le plus ancien et l'un des procédés de soudage à l'arc les plus répandus. Il utilise une électrode fusible enrobée de flux pour réaliser la soudure. La chaleur de l'arc fait fondre le flux, ce qui produit un gaz de protection et une couche de laitier recouvrant le bain de fusion. Ce laitier favorise également les réactions métallurgiques et peut apporter des éléments d'alliage pour améliorer les propriétés du métal de soudure. Il est idéal pour les soudures courtes lors de réparations et d'assemblages, notamment dans les zones difficiles d'accès. Il convient à la plupart des aciers au carbone industriels, des aciers inoxydables, de la fonte, du cuivre, de l'aluminium et des alliages de nickel.
2. Soudage à l'arc submergé (SAW)
En soudage à l'arc submergé (SAW), l'arc est dissimulé sous une couche de flux fusible granulaire. Le procédé consiste à déposer une couche de flux le long du cordon de soudure, puis à introduire une électrode de fil consommable dans le joint et à amorcer un arc sous le flux. L'alimentation du fil est automatique au fur et à mesure que l'arc se propage le long du joint. Ses avantages sont les suivants :
Haute qualité de soudure : Le flux assure une excellente protection contre l'atmosphère, ce qui réduit considérablement la teneur en azote et en oxygène de la soudure. L'automatisation du procédé et la longue durée de fusion du bain de fusion permettent des réactions métallurgiques complètes.
Conditions de travail améliorées : La couche de flux recouvre l'arc électrique, améliorant ainsi la sécurité et le confort de l'opérateur.
Grande productivité: Une électrode plus courte permet un courant et une densité de courant plus élevés, ce qui favorise une pénétration plus profonde et des taux de dépôt supérieurs. Le flux isolant améliore l'efficacité thermique, permettant ainsi des vitesses de soudage plus rapides.
Grâce à son taux de dépôt élevé et à sa pénétration profonde, le soudage à l'arc submergé (SAW) est idéal pour les soudures longues et rectilignes sur des tôles d'épaisseur moyenne à épaisse. Il est largement utilisé dans la construction navale, la fabrication de récipients sous pression, la construction de ponts et la fabrication de machines lourdes. Il est principalement utilisé pour les métaux ferreux comme les aciers au carbone et les aciers faiblement alliés.
3. Soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW / TIG)
Communément appelé soudage TIG (Tungsten Inert Gas), ce procédé utilise une électrode non fusible. Un arc électrique se forme entre une électrode de tungstène et la pièce à souder. L'électrode de tungstène ne fond pas ; elle sert uniquement à créer l'arc. Un gaz de protection inerte, généralement de l'argon ou de l'hélium, est émis par la torche pour protéger la zone de soudure. Un métal d'apport peut être ajouté séparément si nécessaire.
Avantages : Excellente maîtrise de l'apport de chaleur, permettant d'obtenir des soudures d'une qualité et d'une propreté exceptionnelles.
Il est idéal pour le soudage de matériaux minces et pour les passes de fond. Il peut être utilisé sur presque tous les métaux, notamment les métaux réactifs comme l'aluminium, le magnésium, le titane et le zirconium qui forment des oxydes réfractaires. Son principal inconvénient est une vitesse de soudage plus lente que celle des autres méthodes de soudage à l'arc.
4. Soudage à l'arc sous gaz et métal (GMAW)
Également connu sous le nom de soudage MIG (Metal Inert Gas) ou MAG (Metal Active Gas), le soudage GMAW est un procédé de soudage par fusion où un arc électrique se forme entre un fil-électrode fusible alimenté en continu et la pièce à souder. Le fil sert à la fois d'électrode et de métal d'apport. Un gaz de protection protège l'arc et le bain de fusion.
Soudage CO₂ (un type de soudage MAG)
La température élevée de l'arc décompose le CO₂ en CO et O, ce qui resserre l'arc. Il en résulte un arc concentré, mais pouvant entraîner un transfert de gouttelettes plus importantes et une augmentation des projections. Cependant, le CO₂ offre une excellente protection grâce à sa densité élevée. Le procédé est économe en énergie et peu coûteux. Le CO₂ étant un gaz oxydant, il peut provoquer la perte d'éléments d'alliage. Pour y remédier, des désoxydants sont incorporés au fil de soudage. Ce procédé est largement utilisé dans les industries automobile, navale et manufacturière. Il est particulièrement adapté à l'acier au carbone, à l'acier faiblement allié et aux aciers faiblement alliés à haute résistance. Il n'est pas recommandé pour les métaux non ferreux. acier inoxydable .
5. Soudage à l'arc plasma (PAW)
Le soudage PAW est une forme avancée de soudage GTAW où l'arc plasma est confiné par une buse refroidie à l'eau. Ce confinement augmente la température, la densité d'énergie et la vitesse de l'arc.
Soudage à l'arc plasma à trou de serrure : Utilise des courants plus élevés (100–300 A). L'arc pénètre entièrement dans la pièce à souder, créant un « trou de serrure ». Lorsque la torche se déplace, le métal en fusion s'écoule derrière le trou de serrure pour former la soudure, permettant le soudage en une seule passe de plaques jusqu'à 10 mm d'épaisseur (acier inoxydable).
Soudage à l'arc microplasma : Utilise des courants très faibles (0.1–30 A) pour le soudage de feuilles et de tôles minces (0.025–2.5 mm).
Elles présentent des avantages tels qu'une densité énergétique élevée, une forte pénétration, une vitesse de soudage rapide et une déformation minimale. L'électrode de tungstène rétractée empêche les inclusions de tungstène dans la soudure. Elles sont largement utilisées dans l'aérospatiale et d'autres industries de haute technologie pour le soudage du cuivre, des alliages de titane, de l'acier inoxydable et d'autres métaux haute performance.
6. Soudage à l'arc fourré (FCAW)
Le procédé FCAW est similaire au procédé GMAW, mais utilise une électrode tubulaire en fil fourré. Ce flux assure la protection, la désoxydation et apporte des éléments d'alliage. Certains fils FCAW sont auto-protégés, tandis que d'autres nécessitent un gaz de protection externe (souvent du CO₂). Il combine la polyvalence du procédé SMAW avec la productivité élevée du procédé GMAW. Le flux offre des avantages métallurgiques supplémentaires, améliorant ainsi la qualité de la soudure.
Il convient à une large gamme de métaux ferreux et d'applications d'assemblage, et est largement utilisé dans la construction et la fabrication lourde.
II. Procédés de soudage par fusion
1. Soudage au gaz (soudage oxyacétylénique)
Le soudage oxyacétylénique utilise la chaleur de la combustion d'un gaz combustible (comme l'acétylène) avec de l'oxygène. La flamme oxyacétylénique peut atteindre des températures jusqu'à 3 200 °C. Il en existe plusieurs types.
Flamme neutre : (Rapport O₂/C₂H₂ ≈ 1.1:1) Combustion complète ; utilisée pour les aciers et les alliages non ferreux.
Flamme cémentante : (Rapport O₂/C₂H₂ < 1) Excès d'acétylène ; utilisé pour l'acier à haute teneur en carbone et la fonte.
Flamme oxydante : (Rapport O₂/C₂H₂ > 1.2) Excès d'oxygène ; utilisé pour le brasage du laiton et du bronze.
Caractéristiques: Ce procédé présente une faible vitesse de chauffe, une faible productivité et une large zone affectée thermiquement, pouvant entraîner des déformations importantes. Cependant, sa simplicité, sa portabilité et son faible coût le rendent utile dans les endroits dépourvus d'électricité. Aujourd'hui, son utilisation se limite principalement à la réparation de tôles d'acier minces, d'alliages de cuivre et de pièces en fonte.
2. Soudage électroslag (ESW)
Le soudage par électroérosion (ESW) est un procédé très productif pour le soudage vertical de matériaux très épais. Il exploite la résistance électrique du laitier en fusion pour générer de la chaleur. Le procédé débute par l'amorçage d'un arc électrique qui fait fondre le flux, créant ainsi un bain de laitier en fusion. Lorsque ce bain est suffisamment profond, l'arc s'éteint et la chaleur est générée par le passage du courant électrique à travers le laitier conducteur.
Avantages : Capable de souder des sections très épaisses (de 30 mm à plus de 1000 mm) en une seule passe à un taux de dépôt élevé.
Limites : La lenteur des cycles de chauffage et de refroidissement engendre une structure à gros grains dans la soudure et la zone affectée thermiquement, ce qui réduit la ténacité. Un traitement thermique après soudage (normalisation) est presque toujours nécessaire. Il est limité à la position verticale.
Il est utilisé dans les machines lourdes pour assembler de grandes pièces forgées et moulées, comme par exemple pour les bâtis de machines et les récipients sous pression.
3. Soudage par faisceau d'électrons (EBW)
Le soudage par faisceau d'électrons (EBW) utilise un faisceau focalisé d'électrons à haute vitesse pour générer de la chaleur et fusionner les matériaux. Ce procédé est généralement réalisé dans une chambre à vide. Un canon à électrons produit et accélère les électrons à environ la moitié de la vitesse de la lumière. Une bobine magnétique focalise le faisceau sur la pièce à usiner, où l'énergie cinétique est convertie en énergie thermique, provoquant la fusion instantanée du matériau.
Avantages : Densité d'énergie extrêmement élevée, permettant des soudures profondes et étroites avec une zone affectée thermiquement très réduite et une déformation minimale. L'environnement sous vide garantit une pureté et une résistance élevées. Ce procédé permet de souder des matériaux allant de feuilles très fines à des sections épaisses (jusqu'à 300 mm).
Il est idéal pour le soudage de haute qualité des métaux réactifs, réfractaires et dissemblables. Utilisé dans les industries aérospatiale, nucléaire et automobile.
4. Soudage par faisceau laser (LBW)
Le soudage laser à faisceau large (LBW) utilise un faisceau de lumière monochromatique cohérente hautement concentré comme source de chaleur. Ce faisceau est focalisé par des lentilles ou des miroirs afin d'obtenir une densité de puissance très élevée, permettant le soudage, la découpe et le perçage. Les lasers industriels les plus courants sont les lasers YAG (à semi-conducteurs) et CO₂ (à gaz). Le soudage peut être réalisé à l'air libre (sans vide). Le faisceau peut être transmis par fibre optique, ce qui le rend adapté au soudage robotisé et automatisé de microcomposants. Il offre un soudage à grande vitesse avec un apport de chaleur et une déformation très faibles. Il est insensible aux champs magnétiques et ne produit pas de rayons X.
Il est largement utilisé dans les industries de l'électronique, du médical et de l'automobile pour le soudage de précision de composants tels que les tôles d'acier au silicium et l'acier galvanisé.
III. Soudage à l'état solide
1. Soudage par résistance
Ce procédé utilise la chaleur générée par la résistance électrique pour assembler des matériaux. Un courant électrique important traverse les pièces à souder, maintenues ensemble sous pression par des électrodes. La résistance maximale se situe à l'interface entre les pièces, générant de la chaleur qui forme un cordon de soudure. Parmi les techniques utilisées, on trouve le soudage par points, le soudage à la molette, le soudage par projection et le soudage par étincelage. Ce procédé est rapide, facilement automatisable et ne nécessite ni métal d'apport ni gaz de protection, ce qui le rend économique et très productif. La métallurgie est simple, car le cordon de soudure en fusion est protégé par le métal solide environnant.
Il est utilisé dans les industries automobile et électroménager pour l'assemblage de tôles minces (généralement < 3 mm d'épaisseur).
2. Soudage par friction (FRW)
Le soudage par friction-malaxage (FRW) est un procédé à l'état solide qui génère de la chaleur par friction mécanique entre une pièce en mouvement et une pièce fixe, sous pression. Une fois l'interface soumise à une déformation plastique, la rotation est arrêtée et une force de forgeage plus importante est appliquée pour créer la liaison. Ce procédé offre une qualité et une régularité de soudure élevées, ainsi qu'une productivité importante (5 à 6 fois supérieure à celle du soudage par étincelage). Il est particulièrement adapté à l'assemblage de métaux dissemblables (par exemple, cuivre-aluminium, acier-aluminium). Il est économique et écoénergétique.
Il peut être utilisé pour fabriquer des produits bimétalliques comme des joints de transition cuivre-aluminium, des outils de coupe en acier rapide et des composants automobiles comme des soupapes et des arbres d'essieu.
3. Soudage par diffusion (DFW)
Également appelé soudage par diffusion, ce procédé à l'état solide consiste à assembler deux surfaces planes et propres sous haute pression et température (inférieure au point de fusion) dans le vide ou sous atmosphère protectrice. Les atomes diffusent à travers l'interface, éliminant la limite initiale et formant une liaison solide.
Avantages : Permet d'assembler une grande variété de matériaux similaires et dissemblables (y compris métal-céramique) avec un impact minimal sur leurs propriétés. Réalise des joints de haute précision avec une distorsion minimale.
Limites : Nécessite des surfaces extrêmement propres et lisses. Le procédé est très lent et engendre des coûts élevés en matière d'équipement et de préparation.
Il est utilisé dans les industries aérospatiale, nucléaire et électronique pour créer des structures complexes multicouches et assembler des matériaux qui ne peuvent pas être soudés par fusion.
IV. Brasage
Le brasage consiste à assembler des matériaux à l'aide d'un métal d'apport dont le point de fusion est inférieur à celui des matériaux de base. Ce métal fond et est absorbé par capillarité dans le joint. Contrairement au soudage, les matériaux de base ne fondent pas. La liaison se forme par diffusion entre le métal d'apport liquide et le matériau de base solide. Un faible apport de chaleur minimise les contraintes et les déformations. Ce procédé est idéal pour assembler des métaux dissemblables et réaliser des joints nets et propres. Cependant, les joints brasés présentent généralement une résistance mécanique et thermique inférieure à celle des joints soudés.
Métaux d'apport (alliages de brasage) et flux :
Brasage (brasage dur) : Utilise des métaux d'apport dont le point de fusion est supérieur à 450 °C. Les métaux d'apport courants comprennent le laiton et les alliages à base d'argent. Utilisé pour des applications à haute résistance sur l'acier, les alliages de cuivre et les outils.
Soudage (brasage tendre) : Utilise des métaux d'apport dont le point de fusion est inférieur à 450 °C. Les alliages étain-plomb sont courants. Utilisé en électronique et en plomberie où une résistance élevée n'est pas requise.
Flux: Un composé chimique utilisé pour nettoyer les surfaces d'oxydes et empêcher leur réoxydation pendant le chauffage, favorisant le mouillage et l'écoulement capillaire.
Méthodes de chauffage: Brasage à la flamme, brasage par induction, brasage au four, brasage par immersion, etc.
Il est utilisé pour fabriquer des outils en carbure, des cadres de vélos, des échangeurs de chaleur et des composants électroniques.
Autres procédés de soudage
Soudage haute fréquence (HFW)
Ce procédé utilise un courant à haute fréquence (par contact ou par induction) pour chauffer les bords d'un matériau jusqu'à l'obtention d'un état plastique, avant de les forger ensemble. C'est un procédé très productif, utilisé presque exclusivement pour la fabrication de tubes et de tuyaux soudés longitudinalement ou en spirale.
Soudage par explosion (EXW)
Ce procédé à l'état solide utilise l'énergie d'une explosion chimique pour projeter une pièce contre une autre à très grande vitesse, créant ainsi une liaison métallurgique par impact. Il est particulièrement efficace pour le placage de grandes plaques avec un métal différent (par exemple, acier et titane).
Soudage par ultrasons (USW)
Procédé à l'état solide utilisant des vibrations ultrasoniques à haute fréquence sous pression pour assembler des matériaux. Ces vibrations créent une friction intense à l'interface, générant de la chaleur et formant une liaison. Il est idéal pour l'assemblage de feuilles minces, de fils et de matières plastiques, notamment de métaux dissemblables.
Technologies de soudage avancées
1. Robots de soudage
L'évolution de la mécanisation vers l'automatisation et l'intelligence artificielle est une tendance majeure dans le domaine du soudage. Les robots de soudage illustrent parfaitement cette transformation, permettant une production automatisée même pour les petites séries.
Robots à pendentif pédagogique : Ces robots apprennent par programmation une trajectoire de soudage et des paramètres qu'ils reproduisent ensuite avec précision. Largement utilisés dans la production de masse sur les chaînes de montage, ils manquent cependant de flexibilité pour s'adapter aux variations environnementales.
Robots intelligents : Ces robots de pointe peuvent utiliser des capteurs (comme des systèmes de vision) pour identifier automatiquement un cordon de soudure, le suivre en temps réel et ajuster la position de la torche et les paramètres de soudage afin de garantir la qualité. Plus flexibles, ils peuvent être utilisés pour diverses tâches, bien qu'ils soient encore principalement au stade de la recherche et du développement.
2. Application des logiciels informatiques
Les logiciels transforment l'industrie du soudage dans plusieurs domaines clés :
Simulation par ordinateur: La simulation numérique des phénomènes physiques complexes du soudage (processus thermiques, métallurgie, contraintes et déformations) permet aux ingénieurs d'optimiser les conceptions et les procédés de soudage. Ceci réduit considérablement le recours à des expériences physiques coûteuses et chronophages, et permet ainsi de réaliser des économies de main-d'œuvre, de matériaux et de temps, notamment lors de l'utilisation de nouveaux matériaux ou de nouvelles structures.
Bases de données et systèmes experts : Les systèmes logiciels servent à gérer les spécifications des modes opératoires de soudage (SMS), les qualifications des soudeurs, les propriétés des matériaux et les normes industrielles. Les systèmes experts peuvent aider à sélectionner le procédé de soudage optimal, à diagnostiquer les défauts et à estimer les coûts.
Contrôle qualité assisté par ordinateur (CAQ) : Utilisés pour la surveillance en temps réel des paramètres de soudage et l'analyse statistique des données de production afin de garantir une qualité constante, les systèmes CAO/FAO sont également de plus en plus utilisés pour la conception de structures soudées et la programmation de machines de découpe CNC et de robots de soudage.
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