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Soudage est un processus de fabrication qui associe des matériaux, généralement des métaux ou des thermoplastiques, en provoquant une coalescence. Il est souvent fait en faisant fondre les pièces et en ajoutant un matériau de remplissage pour former un pool de matériau fondu (le flaque de soudure) qui refroidit pour devenir un joint fort. Parfois, la soudure est produite par pression, avec ou sans chaleur. En revanche, le brasage et le brasage impliquent la fusion d'un matériau à point de fusion inférieur entre les pièces pour former une liaison entre elles, sans faire fondre les pièces.

Diverses sources d'énergie peuvent être utilisées pour le soudage, notamment une flamme de gaz, un arc électrique, un laser, un faisceau d'électrons, la friction et les ultrasons. Bien qu'il s'agisse souvent d'un processus industriel, le soudage peut être effectué dans de nombreux environnements différents, y compris en plein air, sous l'eau et dans l'espace. Quel que soit l'emplacement, cependant, le soudage reste dangereux et des précautions doivent être prises pour éviter les brûlures, les chocs électriques, les fumées toxiques et la surexposition à la lumière ultraviolette.

Jusqu'à la fin du XIXe siècle, le seul procédé de soudage était le soudage par forge, que les forgerons utilisaient depuis des siècles pour assembler les métaux en les chauffant et en les martelant. Le soudage à l'arc et le soudage à l'oxygène ont été parmi les premiers procédés développés à la fin du siècle, et le soudage par résistance a suivi peu de temps après. La technologie de soudage a rapidement progressé au début du XXe siècle, alors que la Première Guerre mondiale et la Seconde Guerre mondiale poussaient la demande de méthodes d'assemblage fiables et peu coûteuses. À la suite des guerres, plusieurs techniques de soudage modernes ont été développées, y compris des méthodes manuelles comme le soudage à l'arc sous blindage métallique, désormais l'une des méthodes de soudage les plus populaires, ainsi que des procédés semi-automatiques et automatiques tels que le soudage à l'arc au gaz, le soudage à l'arc submergé et soudage à l'arc fourré. Les développements se sont poursuivis avec l'invention du soudage par faisceau laser et du soudage par faisceau d'électrons dans la seconde moitié du siècle. Aujourd'hui, la science continue de progresser. Le soudage par robot devient de plus en plus courant dans les milieux industriels, et les chercheurs continuent de développer de nouvelles méthodes de soudage et de mieux comprendre la qualité et les propriétés des soudures.

À l'avenir, le soudage jouera un rôle essentiel dans le développement de l'exploration et de la construction par l'homme. Il semble probable que l'utilisation du soudage ne sera pas remplacée, simplement en raison de l'efficacité et de la durabilité du procédé.

Histoire

Le pilier de fer à Delhi.

L'histoire de l'assemblage des métaux remonte à plusieurs millénaires, avec les premiers exemples de soudage datant de l'âge du bronze et de l'âge du fer en Europe et au Moyen-Orient. Le soudage a été utilisé dans la construction du pilier en fer à Delhi, en Inde, érigé environ 310 et pesant 5,4 tonnes.1 Le Moyen Âge a apporté des avancées dans le soudage de forge, dans lequel les forgerons ont martelé le métal chauffé à plusieurs reprises jusqu'à ce que le collage se produise. En 1540, Vannoccio Biringuccio publie De la pirotechnia, qui comprend des descriptions de l'opération de forgeage. Les artisans de la Renaissance étaient qualifiés dans le processus et l'industrie a continué de croître au cours des siècles suivants.2 Le soudage, cependant, a été transformé au cours du XIXe siècle. En 1800, Sir Humphry Davy a découvert l'arc électrique, et les progrès du soudage à l'arc se sont poursuivis avec les inventions d'électrodes métalliques par un Russe, Nikolai Slavyanov, et un Américain, CL Coffin à la fin des années 1800, même en tant que soudage à l'arc au carbone, qui utilisait un électrode de carbone, a gagné en popularité. Vers 1900, A. P. Strohmenger a sorti une électrode métallique revêtue en Grande-Bretagne, qui a donné un arc plus stable, et en 1919, le soudage à courant alternatif a été inventé par C.J.Holslag, mais n'est pas devenu populaire pendant une autre décennie.3

Le soudage par résistance a également été développé au cours des dernières décennies du XIXe siècle, les premiers brevets allant à Elihu Thompson en 1885, qui a produit de nouvelles avancées au cours des 15 prochaines années. Le soudage à la thermite a été inventé en 1893, et à cette époque, un autre procédé, le soudage à l'oxycombustible, est devenu bien établi. L'acétylène a été découvert en 1836 par Edmund Davy, mais son utilisation n'a été pratique en soudage qu'en 1900 environ, lorsqu'un chalumeau approprié a été développé.4 Au début, le soudage oxycombustible était l'une des méthodes de soudage les plus populaires en raison de sa portabilité et de son coût relativement faible. Cependant, à mesure que le XXe siècle progressait, il est tombé en disgrâce pour les applications industrielles. Il a été en grande partie remplacé par le soudage à l'arc, car des revêtements métalliques (appelés flux) pour l'électrode qui stabilisent l'arc et protègent le matériau de base des impuretés ont continué à se développer.5

La Première Guerre mondiale a provoqué une forte augmentation de l'utilisation des procédés de soudage, les différentes puissances militaires tentant de déterminer lequel des nombreux nouveaux procédés de soudage serait le meilleur. Les Britanniques utilisaient principalement le soudage à l'arc, même pour construire un navire, le Fulagar, avec une coque entièrement soudée. Les Américains étaient plus hésitants, mais ont commencé à reconnaître les avantages du soudage à l'arc lorsque le processus leur a permis de réparer leurs navires rapidement après les attaques allemandes dans le port de New York au début de la guerre. Le soudage à l'arc a également été appliqué pour la première fois aux avions pendant la guerre, car certains fuselages d'avions allemands ont été construits à l'aide de ce procédé.6

Au cours des années 1920, des progrès majeurs ont été réalisés dans la technologie du soudage, notamment l'introduction du soudage automatique en 1920, dans lequel le fil d'électrode était alimenté en continu. Le gaz de protection est devenu un sujet qui a reçu beaucoup d'attention, car les scientifiques ont tenté de protéger les soudures contre les effets de l'oxygène et de l'azote dans l'atmosphère. La porosité et la fragilité étaient les principaux problèmes, et les solutions développées comprenaient l'utilisation d'hydrogène, d'argon et d'hélium comme atmosphères de soudage.7 Au cours de la décennie suivante, de nouvelles avancées ont permis le soudage de métaux réactifs comme l'aluminium et le magnésium. Ceci, conjointement avec les développements du soudage automatique, du courant alternatif et des flux, a alimenté une expansion majeure du soudage à l'arc dans les années 1930, puis pendant la Seconde Guerre mondiale.8

Au milieu du siècle, de nombreuses nouvelles méthodes de soudage ont été inventées. 1930 a vu la libération du soudage des goujons, qui est rapidement devenu populaire dans la construction navale et la construction. Le soudage à l'arc submergé a été inventé la même année et continue d'être populaire aujourd'hui. Le soudage à l'arc au tungstène au gaz, après des décennies de développement, a finalement été perfectionné en 1941, et le soudage à l'arc au gaz et au métal a suivi en 1948, permettant un soudage rapide des matériaux non ferreux mais nécessitant des gaz de protection coûteux. Le soudage à l'arc métallique blindé a été développé au cours des années 1950, utilisant une électrode consommable et une atmosphère de dioxyde de carbone comme gaz de protection, et il est rapidement devenu le procédé de soudage à l'arc métallique le plus populaire. En 1957, le procédé de soudage à l'arc fourré a fait ses débuts, dans lequel l'électrode en fil auto-blindé pouvait être utilisée avec un équipement automatique, entraînant une augmentation considérable des vitesses de soudage, et cette même année, le soudage à l'arc plasma a été inventé. Le soudage par électrodes a été introduit en 1958, suivi par son cousin, le soudage par électrogaz, en 1961.9

Parmi les autres développements récents dans le domaine du soudage, mentionnons la percée de 1958 du soudage par faisceau d'électrons, qui rend possible le soudage profond et étroit grâce à la source de chaleur concentrée. Après l'invention du laser en 1960, le soudage par faisceau laser a fait ses débuts plusieurs décennies plus tard et s'est révélé particulièrement utile dans le soudage automatisé à grande vitesse. Cependant, ces deux procédés continuent d'être assez chers en raison du coût élevé de l'équipement nécessaire, ce qui a limité leurs applications.10

Processus de soudage

Soudage à l'arc

Ces procédés utilisent une alimentation de soudage pour créer et maintenir un arc électrique entre une électrode et le matériau de base pour faire fondre les métaux au point de soudage. Ils peuvent utiliser un courant continu (CC) ou alternatif (CA) et des électrodes consommables ou non consommables. La zone de soudage est parfois protégée par un certain type de gaz inerte ou semi-inerte, appelé gaz de protection, et un matériau de remplissage est parfois également utilisé.

Alimentations

Pour fournir l'énergie électrique nécessaire aux procédés de soudage à l'arc, plusieurs alimentations différentes peuvent être utilisées. La classification la plus courante est celle des alimentations à courant constant et des alimentations à tension constante. En soudage à l'arc, la tension est directement liée à la longueur de l'arc et le courant est lié à la quantité de chaleur apportée. Les alimentations en courant constant sont le plus souvent utilisées pour les procédés de soudage manuels tels que le soudage à l'arc au gaz de tungstène et le soudage à l'arc sous blindage métallique, car ils maintiennent un courant relativement constant même lorsque la tension varie. Ceci est important car en soudage manuel, il peut être difficile de maintenir l'électrode parfaitement stable, et en conséquence, la longueur de l'arc et donc la tension ont tendance à fluctuer. Les alimentations à tension constante maintiennent la tension constante et font varier le courant et, par conséquent, sont le plus souvent utilisées pour les processus de soudage automatisés tels que le soudage à l'arc sous gaz, le soudage à l'arc avec flux et le soudage à l'arc submergé. Dans ces processus, la longueur de l'arc est maintenue constante, car toute fluctuation de la distance entre le fil et le matériau de base est rapidement rectifiée par un grand changement de courant. Par exemple, si le fil et le matériau de base se rapprochent trop, le courant augmentera rapidement, ce qui entraînera une augmentation de la chaleur et la fusion de la pointe du fil, le ramenant à sa distance de séparation d'origine.11

Le type de courant utilisé dans le soudage à l'arc joue également un rôle important dans le soudage. Les procédés d'électrodes consommables tels que le soudage à l'arc sous blindage métallique et le soudage à l'arc sous gaz métal utilisent généralement du courant continu, mais l'électrode peut être chargée positivement ou négativement. En soudage, l'anode chargée positivement aura une plus grande concentration de chaleur, et en conséquence, le changement de la polarité de l'électrode a un impact sur les propriétés de la soudure. Si l'électrode est chargée positivement, elle fondra plus rapidement, augmentant la pénétration de la soudure et la vitesse de soudage. Alternativement, une électrode chargée négativement se traduit par des soudures plus superficielles.12 Les procédés d'électrodes non consommables, tels que le soudage à l'arc au tungstène gazeux, peuvent utiliser l'un ou l'autre type de courant continu, ainsi que le courant alternatif. Cependant, avec le courant continu, parce que l'électrode ne crée que l'arc et ne fournit pas de matériau de remplissage, une électrode chargée positivement provoque des soudures peu profondes, tandis qu'une électrode chargée négativement fait des soudures plus profondes.13 Le courant alternatif se déplace rapidement entre ces deux, entraînant des soudures à pénétration moyenne. Un inconvénient du courant alternatif, le fait que l'arc doit être rallumé après chaque passage à zéro, a été résolu avec l'invention d'unités de puissance spéciales qui produisent un motif d'ondes carrées au lieu de l'onde sinusoïdale normale, ce qui rend possible les passages à zéro rapides et minimise les effets du problème.14

Processus

Soudage à l'arc sous blindage métallique

L'un des types les plus courants de soudage à l'arc est le soudage à l'arc sous blindage (SMAW), également connu sous le nom de soudage manuel à l'arc (MMA) ou soudage à la baguette. Le courant électrique est utilisé pour créer un arc entre le matériau de base et une tige d'électrode consommable, qui est en acier et est recouverte d'un flux qui protège la zone de soudure de l'oxydation et de la contamination en produisant du CO2 gaz pendant le processus de soudage. Le noyau d'électrode lui-même agit comme matériau de remplissage, ce qui rend inutile une charge séparée.

Le processus est très polyvalent, peut être effectué avec un équipement relativement peu coûteux et, en raison de sa polyvalence, est bien adapté à l'atelier et au travail sur le terrain.15 Un opérateur peut devenir raisonnablement compétent avec une quantité modeste de formation et peut atteindre la maîtrise avec l'expérience. Les temps de soudage sont assez lents, car les électrodes consommables doivent être fréquemment remplacées et parce que les scories, les résidus du flux, doivent être déchiquetées après le soudage.16 En outre, le procédé est généralement limité au soudage de matériaux ferreux, bien que des électrodes spéciales aient rendu possible le soudage de la fonte, du nickel, de l'aluminium, du cuivre et d'autres métaux. Les opérateurs inexpérimentés peuvent avoir du mal à réaliser de bonnes soudures hors position avec ce processus.

Le soudage à l'arc sous gaz (GMAW), également connu sous le nom de soudage au gaz inerte (MIG), est un procédé semi-automatique ou automatique qui utilise une alimentation continue en fil comme électrode et un mélange de gaz inerte ou semi-inerte pour protéger la soudure contre contamination. Comme avec SMAW, une compétence raisonnable de l'opérateur peut être obtenue avec une formation modeste. L'électrode étant continue, les vitesses de soudage sont plus élevées pour GMAW que pour SMAW. De plus, la plus petite taille de l'arc par rapport au procédé de soudage à l'arc avec blindage métallique facilite la réalisation de soudures hors position (par exemple, des joints aériens, comme ce serait le cas sous une structure).

L'équipement requis pour exécuter le processus GMAW est plus complexe et plus cher que celui requis pour SMAW, et nécessite une procédure de configuration plus complexe. Par conséquent, le GMAW est moins portable et polyvalent et, en raison de l'utilisation d'un gaz de protection séparé, n'est pas particulièrement adapté aux travaux en extérieur. Cependant, en raison de la vitesse moyenne plus élevée à laquelle les soudures peuvent être réalisées, GMAW est bien adapté au soudage de production. Le procédé peut être appliqué à une grande variété de métaux, ferreux et non ferreux.17

Un procédé connexe, le soudage à l'arc fourré (FCAW), utilise un équipement similaire mais utilise un fil constitué d'une électrode en acier entourant un matériau de remplissage en poudre. Ce fil fourré est plus cher que le fil plein standard et peut générer des fumées et / ou des scories, mais il permet une vitesse de soudage encore plus élevée et une plus grande pénétration du métal.18

Soudage à l'arc au gaz de tungstène

Le soudage à l'arc au gaz de tungstène (GTAW), ou le soudage au gaz inerte de tungstène (TIG) (également parfois appelé à tort soudage héliarc), est un processus de soudage manuel qui utilise une électrode de tungstène non consommable, un mélange de gaz inerte ou semi-inerte et un matériau de remplissage séparé. Particulièrement utile pour le soudage de matériaux minces, cette méthode se caractérise par un arc stable et des soudures de haute qualité, mais elle nécessite des compétences importantes de l'opérateur et ne peut être réalisée qu'à des vitesses relativement faibles.

GTAW peut être utilisé sur presque tous les métaux soudables, bien qu'il soit le plus souvent appliqué à l'acier inoxydable et aux métaux légers. Il est souvent utilisé lorsque les soudures de qualité sont extrêmement importantes, comme dans les applications de bicyclette, d'aéronef et navales.19 Un processus connexe, le soudage à l'arc plasma, utilise également une électrode en tungstène mais utilise du gaz plasma pour fabriquer l'arc. L'arc est plus concentré que l'arc GTAW, ce qui rend le contrôle transversal plus critique et limite donc généralement la technique à un processus mécanisé. En raison de son courant stable, la méthode peut être utilisée sur une plus large gamme d'épaisseurs de matériau que le processus GTAW, et en outre, elle est beaucoup plus rapide. Il peut être appliqué à tous les mêmes matériaux que GTAW à l'exception du magnésium, et le soudage automatisé de l'acier inoxydable est une application importante du processus. Une variante du procédé est la découpe au plasma, un procédé de découpe efficace de l'acier.20

Le soudage à l'arc submergé (SAW) est une méthode de soudage à haute productivité dans laquelle l'arc est percuté sous une couche de couverture de flux. Cela augmente la qualité de l'arc, car les contaminants dans l'atmosphère sont bloqués par le flux. Le laitier qui se forme sur la soudure se détache généralement de lui-même et, combiné à l'utilisation d'une alimentation en fil continue, le taux de dépôt de soudure est élevé. Les conditions de travail sont nettement améliorées par rapport aux autres procédés de soudage à l'arc, car le flux masque l'arc et pratiquement aucune fumée n'est produite. Le procédé est couramment utilisé dans l'industrie, en particulier pour les gros produits et dans la fabrication de récipients sous pression soudés.21 D'autres procédés de soudage à l'arc comprennent le soudage à l'hydrogène atomique, le soudage à l'arc au carbone, le soudage par électrodes, le soudage par électrogaz et le soudage à l'arc à goujons.

Soudage au gaz d'une armature en acier par le procédé oxy-acétylène

Soudage au gaz

Le procédé de soudage au gaz le plus courant est le soudage à l'oxygène, également connu sous le nom de soudage à l'oxyacétylène. C'est l'un des procédés de soudage les plus anciens et les plus polyvalents, mais ces dernières années, il est devenu moins populaire dans les applications industrielles. Il est encore largement utilisé pour le soudage de tuyaux et de tubes, ainsi que pour les travaux de réparation. L'équipement est relativement peu coûteux et simple, utilisant généralement la combustion d'acétylène dans l'oxygène pour produire une température de flamme de soudage d'environ 3100 ° C. La flamme, étant moins concentrée qu'un arc électrique, entraîne un refroidissement plus lent de la soudure, ce qui peut entraîner des contraintes résiduelles et une distorsion de soudure plus importantes, bien qu'elle facilite le soudage des aciers fortement alliés. Un processus similaire, généralement appelé découpe oxyfuel, est utilisé pour couper les métaux.22 D'autres méthodes de soudage au gaz, telles que le soudage à l'acétylène à l'air, le soudage à l'oxygène à l'hydrogène et le soudage au gaz sous pression sont assez similaires, ne différant généralement que par le type de gaz utilisé. Une torche à eau est parfois utilisée pour le soudage de précision d'articles tels que des bijoux. Le soudage au gaz est également utilisé dans le soudage des plastiques, bien que la substance chauffée soit de l'air et que les températures soient beaucoup plus basses.

Soudage par résistance

Le soudage par résistance implique la génération de chaleur en faisant passer un courant à travers la résistance causée par le contact entre deux surfaces métalliques ou plus. De petits flaques de métal fondu se forment dans la zone de soudure lorsqu'un courant élevé (1000-100 000 A) traverse le métal. En général, les méthodes de soudage par résistance sont efficaces et provoquent peu de pollution, mais leurs applications sont quelque peu limitées et le coût de l'équipement peut être élevé.

Soudeur par points

Le soudage par points est une méthode de soudage par résistance populaire utilisée pour assembler des tôles se chevauchant jusqu'à 3 mm d'épaisseur. Deux électrodes sont utilisées simultanément pour serrer les tôles ensemble et pour faire passer le courant à travers les tôles. Les avantages de la méthode incluent une utilisation efficace de l'énergie, une déformation limitée de la pièce, des taux de production élevés, une automatisation facile et aucun matériau de remplissage requis. La résistance de la soudure est nettement inférieure à celle des autres méthodes de soudage, ce qui rend le processus adapté à certaines applications seulement. Il est largement utilisé dans l'industrie automobile - les voitures ordinaires peuvent avoir plusieurs milliers de soudures par points réalisées par des robots industriels. Un procédé spécialisé, appelé soudage par injection, peut être utilisé pour souder par points de l'acier inoxydable.

Comme le soudage par points, le soudage par couture repose sur deux électrodes pour appliquer la pression et le courant pour joindre les tôles. Cependant, au lieu d'électrodes pointues, des électrodes en forme de roue roulent et alimentent souvent la pièce, ce qui permet de réaliser de longues soudures continues. Dans le passé, ce procédé était utilisé dans la fabrication de canettes de boisson, mais maintenant ses utilisations sont plus limitées. Les autres méthodes de soudage par résistance comprennent le soudage flash, le soudage par projection et le soudage par refoulement.23

Soudage par faisceau d'énergie

Les méthodes de soudage par faisceau d'énergie, à savoir le soudage par faisceau laser et le soudage par faisceau d'électrons, sont des procédés relativement nouveaux qui sont devenus très populaires dans les applications de production élevée. Les deux processus sont assez similaires, différant notamment par leur source d'énergie. Le soudage par faisceau laser utilise un faisceau laser hautement focalisé, tandis que le soudage par faisceau d'électrons se fait sous vide et utilise un faisceau d'électrons. Les deux ont une densité d'énergie très élevée, ce qui permet une pénétration profonde de la soudure et minimise la taille de la zone de soudure. Les deux processus sont extrêmement rapides et faciles à automatiser, ce qui les rend très productifs. Les principaux inconvénients sont leurs coûts d'équipement très élevés (bien que ceux-ci soient en baisse) et leur vulnérabilité à la fissuration thermique. Les développements dans ce domaine incluent le soudage hybride au laser, qui utilise les principes du soudage au faisceau laser et du soudage à l'arc pour des propriétés de soudage encore meilleures.24

Soudure à l'état solide

Comme le premier procédé de soudage, le soudage par forge, certaines méthodes de soudage modernes n'impliquent pas la fusion des matériaux à assembler. L'un des plus populaires, le soudage par ultrasons, est utilisé pour connecter des feuilles minces ou des fils métalliques ou thermoplastiques en les faisant vibrer à haute fréquence et sous haute pression. L'équipement et les méthodes impliqués sont similaires à ceux du soudage par résistance, mais au lieu du courant électrique, les vibrations fournissent un apport d'énergie. Le soudage des métaux avec ce procédé n'implique pas la fusion des matériaux; au lieu de cela, la soudure est formée en introduisant des vibrations mécaniques horizontalement sous pression. Lors du soudage des plastiques, les matériaux doivent avoir des températures de fusion similaires et les vibrations sont introduites verticalement. Le soudage par ultrasons est couramment utilisé pour réaliser des connexions électriques en aluminium ou en cuivre, et c'est également un procédé de soudage polymère très courant.

Un autre procédé courant, le soudage par explosion, implique l'assemblage de matériaux en les poussant ensemble sous une pression extrêmement élevée. L'énergie de l'impact plastifie les matériaux, formant une soudure, même si seule une quantité limitée de chaleur est générée. Le procédé est couramment utilisé pour souder des matériaux différents, tels que le soudage de l'aluminium avec de l'acier dans les coques de navires ou les plaques composites. D'autres procédés de soudage à l'état solide comprennent le soudage par coextrusion, le soudage à froid, le soudage par diffusion, le soudage par friction (y compris le soudage par friction-malaxage), le soudage haute fréquence, le soudage sous pression à chaud, le soudage par induction et le soudage au rouleau.25

Géométrie

Types de joints de soudage courants: (1) joint carré bout à bout, (2) joint de préparation à un seul V, (3) joint à recouvrement, (4) joint en T

Les soudures peuvent être préparées géométriquement de différentes manières. Les cinq types de base de joints de soudure sont le joint bout à bout, le joint à recouvrement, le joint d'angle, le joint de bord et le joint en T. D'autres variantes existent également - par exemple, les joints de préparation à double V sont caractérisés par les deux pièces de matériau s'effilant chacune en un seul point central à la moitié de leur hauteur. Les joints de préparation simple U et double U sont également assez courants - au lieu d'avoir des bords droits comme les joints de préparation simple V et double V, ils sont incurvés, formant la forme d'un U. Les joints de recouvrement sont également généralement plus de deux pièces épaisses - en fonction du procédé utilisé et de l'épaisseur du matériau, de nombreuses pièces peuvent être soudées ensemble dans une géométrie de joint à recouvrement.26

Souvent, des conceptions de joints particulières sont utilisées exclusivement ou presque exclusivement par certains procédés de soudage. Par exemple, le soudage par points par résistance, le soudage par faisceau laser et le soudage par faisceau d'électrons sont le plus souvent effectués sur les joints de recouvrement. Cependant, certaines méthodes de soudage, comme le soudage à l'arc avec blindage métallique, sont extrêmement polyvalentes et peuvent souder pratiquement n'importe quel type de joint. De plus, certains processus peuvent être utilisés pour réaliser des soudures multipasses, dans lesquelles une soudure peut refroidir, puis une autre soudure est effectuée par-dessus. Cela permet par exemple de souder des profilés épais disposés en un seul joint de préparation en V.27

La section transversale d'un joint bout à bout soudé, le gris le plus foncé représentant la zone de soudure ou de fusion, le gris moyen la zone affectée par la chaleur et le gris le plus clair le matériau de base

Après le soudage, un certain nombre de régions distinctes peuvent être identifiées dans la zone de soudage. La soudure elle-même est appelée la zone de fusion, plus précisément, c'est là que le métal d'apport a été déposé pendant le processus de soudage. Les propriétés de la zone de fusion dépendent principalement du métal d'apport utilisé et de sa compatibilité avec les matériaux de base. Il est entouré par la zone affectée par la chaleur, la zone dont la microstructure et les propriétés ont été modifiées par la soudure. Ces propriétés dépendent du comportement du matériau de base lorsqu'il est soumis à la chaleur. Le métal dans cette zone est souvent plus faible que le matériau de base et la zone de fusion, et c'est également là que se trouvent les contraintes résiduelles.28

Qualité

Le plus souvent, la métrique principale utilisée pour juger de la qualité d'une soudure est sa résistance et la résistance du matériau qui l'entoure. De nombreux facteurs distincts influencent cela, notamment la méthode de soudage, la quantité et la concentration de chaleur apportée, le matériau de base, le matériau de remplissage, le matériau de flux, la conception du joint et les interactions entre tous ces facteurs. Pour tester la qualité d'une soudure, des méthodes d'essai destructives ou non destructives sont couramment utilisées pour vérifier que les soudures sont exemptes de défauts, ont des niveaux acceptables de contraintes résiduelles et de distorsion, et ont des propriétés acceptables de zone affectée par la chaleur (HAZ). Des codes et des spécifications de soudage existent pour guider les soudeurs dans la bonne technique de soudage et dans la façon de juger de la qualité des soudures.

Zone affectée par la chaleur

HAZ d'une soudure de tuyau, la zone bleue étant le métal le plus affecté par la chaleur

Les effets du soudage sur le matériau entourant la soudure peuvent être préjudiciables - en fonction des matériaux utilisés et de l'apport de chaleur du processus de soudage utilisé, le HAZ peut être de taille et de résistance variables. La diffusivité thermique du matériau de base joue un rôle important - si la diffusivité est élevée, la vitesse de refroidissement du matériau est élevée et la HAZ est relativement faible. Inversement, une faible diffusivité conduit à un refroidissement plus lent et à une HAZ plus importante. La quantité de chaleur injectée par le processus de soudage joue également un rôle important, car des processus comme le soudage à l'oxyacétylène ont un apport de chaleur non concentré et augmentent la taille de la HAZ. Des processus comme le soudage par faisceau laser produisent une quantité de chaleur très concentrée et limitée, ce qui se traduit par un petit HAZ. Le soudage à l'arc se situe entre ces deux extrêmes, les processus individuels variant quelque peu dans l'apport de chaleur.2930 Pour calculer l'apport de chaleur pour les procédures de soudage à l'arc, la formule suivante peut être utilisée:

Q = apport de chaleur (kJ / mm), V = tension (V), je = courant (A), et S = vitesse de soudage (mm / min). L'efficacité dépend du procédé de soudage utilisé, avec le soudage à l'arc avec blindage ayant une valeur de 0,75, le soudage à l'arc avec gaz et soudage à l'arc immergé, 0,9, et le soudage à l'arc avec gaz au tungstène, 0,8.31

Distorsion et fissuration

Les méthodes de soudage qui impliquent la fusion du métal sur le site du joint sont nécessairement sujettes au retrait lorsque le métal chauffé se refroidit. Le retrait, à son tour, peut introduire des contraintes résiduelles et une distorsion longitudinale et rotationnelle. La distorsion peut poser un problème majeur, car le produit final n'est pas la forme souhaitée. Pour atténuer la distorsion de rotation, les pièces peuvent être décalées, de sorte que le soudage donne une pièce correctement formée.32 D'autres méthodes pour limiter la distorsion, telles que le serrage des pièces en place, provoquent l'accumulation de contraintes résiduelles dans la zone affectée par la chaleur du matériau de base. Ces contraintes peuvent réduire la résistance du matériau de base et entraîner une défaillance catastrophique par fissuration à froid, comme dans le cas de plusieurs navires Liberty. La fissuration à froid est limitée aux aciers et est associée à la formation de martensite lorsque la soudure se refroidit. La fissuration se produit dans la zone affectée par la chaleur du matériau de base. Pour réduire la quantité de distorsion et les contraintes résiduelles, la quantité de chaleur apportée doit être limitée et la séquence de soudage utilisée ne doit pas être d'une extrémité directement à l'autre, mais plutôt par segments. L'autre type de fissuration, la fissuration à chaud ou la fissuration par solidification, peut se produire dans tous les métaux et se produit dans la zone de fusion d'une soudure. Pour diminuer la probabilité de ce type de fissuration, il faut éviter une retenue excessive du matériau et utiliser un matériau de remplissage approprié.33

Soudabilité

La qualité d'une soudure dépend également de la combinaison des matériaux utilisés pour le matériau de base et le matériau de remplissage. Tous les métaux ne conviennent pas au soudage, et tous les métaux d'apport ne fonctionnent pas bien avec des matériaux de base acceptables.

Les aciers

La soudabilité des aciers est inversement proportionnelle à une propriété connue sous le nom de trempabilité de l'acier, qui mesure la facilité de formation de la martensite pendant le traitement thermique. La trempabilité de l'acier dépend de sa composition chimique, avec de plus grandes quantités de carbone et d'autres éléments d'alliage résultant en une trempabilité plus élevée et donc une soudabilité plus faible. Afin de pouvoir juger des alliages composés de nombreux matériaux distincts, une mesure connue sous le nom de teneur en carbone équivalente est utilisée pour comparer les soudabilité relative de différents alliages en comparant leurs propriétés à un acier au carbone ordinaire. L'effet sur la soudabilité d'éléments comme le chrome et le vanadium, bien qu'il ne soit pas aussi important que le carbone, est plus important que celui du cuivre et du nickel, par exemple. Lorsque la teneur en carbone équivalente augmente, la soudabilité de l'alliage diminue.34 L'inconvénient de l'utilisation de carbone ordinaire et d'aciers faiblement alliés est leur faible résistance - il existe un compromis entre la résistance du matériau et la soudabilité. Les aciers à haute résistance et faiblement alliés ont été développés spécialement pour les applications de soudage dans les années 1970, et ces matériaux généralement faciles à souder ont une bonne résistance, ce qui les rend idéaux pour de nombreuses applications de soudage.35

Les aciers inoxydables, en raison de leur teneur élevée en chrome, ont tendance à se comporter différemment en ce qui concerne la soudabilité que les autres aciers. Les nuances austénitiques des aciers inoxydables ont tendance à être les plus soudables, mais elles sont particulièrement sensibles à la déformation en raison de leur coefficient de dilatation thermique élevé. Certains alliages de ce type sont également sujets à la fissuration et à une résistance à la corrosion réduite. Le craquage à chaud est possible si la quantité de ferrite dans la soudure n'est pas contrôlée - pour atténuer le problème, une électrode est utilisée qui dépose un métal de soudure contenant une petite quantité de ferrite. D'autres types d'aciers inoxydables, tels que les aciers inoxydables ferritiques et martensitiques, ne sont pas aussi facilement soudés et doivent souvent être préchauffés et soudés avec des électrodes spéciales.36

Aluminium

La soudabilité des alliages d'aluminium varie considérablement en fonction de la composition chimique de l'alliage utilisé. Les alliages d'aluminium sont sensibles à la fissuration à chaud et pour lutter contre le problème, les soudeurs augmentent la vitesse de soudage pour réduire l'apport de chaleur. Le préchauffage réduit le gradient de température à travers la zone de soudure et contribue ainsi à réduire la fissuration à chaud, mais il peut réduire les propriétés mécaniques du matériau de base et ne doit pas être utilisé lorsque le matériau de base est retenu. La conception du joint peut également être modifiée et un alliage de remplissage plus compatible peut être sélectionné pour réduire la probabilité de fissuration à chaud. Les alliages d'aluminium doivent également être nettoyés avant le soudage, dans le but d'éliminer tous les oxydes, huiles et particules libres de la surface à souder. Ceci est particulièrement important en raison de la sensibilité d'une soudure d'aluminium à la porosité due à l'hydrogène et aux crasses dues à l'oxygène.37

Conditions inhabituelles

Soudage sous-marin

Alors que de nombreuses applications de soudage sont effectuées dans des environnements contrôlés tels que les usines et les ateliers de réparation, certains processus de soudage sont couramment utilisés dans une grande variété de conditions, telles que l'air libre, sous l'eau et les aspirateurs (tels que l'espace)

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