Outre les facteurs liés au processus, d'autres facteurs liés au processus de soudage, tels que la taille de la rainure et de l'écart, l'angle d'inclinaison de l'électrode et de la pièce, et la position spatiale du joint, peuvent également avoir un impact sur la formation et la taille de la soudure.
Influence du courant de soudage sur la formation de la soudure
Dans certaines conditions, lorsque l'intensité du courant de soudage à l'arc augmente, la profondeur de pénétration et le renforcement du cordon de soudure augmentent également, et sa largeur augmente légèrement. Voici les raisons :
1) Lorsque l'intensité du courant de soudage à l'arc augmente, la force de l'arc exercée sur la pièce à souder augmente également, l'apport de chaleur à cette dernière s'accroît et la source de chaleur se déplace vers le bas, ce qui favorise la conduction thermique en profondeur dans le bain de fusion et augmente la profondeur de pénétration. Cette dernière est approximativement proportionnelle à l'intensité du courant de soudage. La profondeur de pénétration H est approximativement égale à Km × I. Dans cette formule, Km représente le coefficient de pénétration (l'augmentation de la profondeur de pénétration en millimètres pour une augmentation de 100 A du courant de soudage), qui dépend du mode de soudage à l'arc, du diamètre du fil, du type de courant, etc., comme indiqué dans le tableau 1-1.
| méthodes de soudage à l'arc | diamètre de l'électrode/mm | courant de soudage/A | tension/V | vitesse de soudage/mh-1 | coefficient de pénétration/m m-100A-1 |
soudage à l'arc sous argon et tungstène | 3.2 | 100~350 | 10~16 | 6~18 | 0,8~1,8 |
| | 1,6 ouverture de buse | 50~100 | 20~26 | 10~60 | 1.2~2 |
| 3,4 ouverture de la buse | 220~300 | 28~36 | 18~30 | 1,5~2,4 |
| | 2 | 200~700 | 32~40 | 15~100 | 1.0~1.7 |
| 5 | 450~1200 | 34~44 | 30~60 | 0,7~1,3 |
soudage à l'arc sous argon avec électrode de fusion | 1.2~2.4 | 210~550 | 24~42 | 40~120 | 1,5~1,8 |
| Soudage au CO2 | 0,8~1,6 | 70~300 | 16~23 | 30~150 | 0,8~1,2 |
| 2~4 | 500~900 | 35~45 | 40~80 | |
Tableau 1-1 Coefficient de profondeur de fusion Km pour différentes méthodes et paramètres de soudage à l'arc (acier de soudage)
2) La vitesse de fusion du fil d'apport lors du soudage à l'arc est proportionnelle à l'intensité du courant de soudage. L'augmentation de ce courant entraîne une augmentation de la vitesse de fusion du fil, ce qui accroît approximativement proportionnellement la quantité de fil fondu et, par conséquent, la largeur de la soudure, augmentant ainsi son renforcement.
3) Lorsque l'intensité du courant de soudage augmente, le diamètre de l'arc électrique s'accroît. Cependant, la profondeur de pénétration de l'arc dans la pièce augmente également, et l'amplitude de déplacement du point d'amorçage est limitée. Par conséquent, l'élargissement de la soudure reste relativement faible.
En soudage MIG (Metal Inert Gas), l'augmentation du courant de soudage entraîne une augmentation de la profondeur de pénétration. Cependant, un courant et une densité de courant trop élevés peuvent provoquer des irrégularités de pénétration, notamment lors du soudage de l'aluminium.
Influence de la tension d'arc sur la formation de la soudure
Dans certaines conditions, l'augmentation de la tension d'arc entraîne une hausse de la puissance de l'arc et, par conséquent, de l'apport de chaleur à la pièce à souder. Cependant, cette augmentation de tension est obtenue par un allongement de l'arc. Cet allongement accroît le rayon de la source de chaleur et, de ce fait, la dissipation thermique de l'arc. Il en résulte une diminution de la densité d'énergie apportée à la pièce à souder, ce qui réduit légèrement la profondeur de pénétration tandis que la largeur du cordon de soudure augmente. Parallèlement, le courant de soudage et la quantité de fil fondu restant constants, le renforcement du cordon de soudure diminue.
Pour différentes méthodes de soudage à l'arc, afin d'obtenir une bonne formation de soudure (c'est-à-dire un coefficient de formation de soudure φ approprié), il est nécessaire d'augmenter la tension d'arc en conséquence lors de l'augmentation du courant de soudage. Il est impératif que la tension d'arc et le courant de soudage soient correctement adaptés. Ceci est particulièrement fréquent en soudage à l'arc avec électrodes fusibles.
Influence de la vitesse de soudage sur la formation de la soudure
Dans certaines conditions, l'augmentation de la vitesse de soudage entraîne une réduction de l'apport de chaleur, diminuant ainsi la largeur et la pénétration du cordon de soudure. La quantité de métal déposé par unité de longueur de soudure étant inversement proportionnelle à la vitesse de soudage, le renforcement du cordon de soudure s'en trouve également réduit.
La vitesse de soudage est un indicateur important de la productivité. Pour l'améliorer, il convient d'augmenter la vitesse de soudage. Cependant, afin de garantir les dimensions de soudure requises pour la conception structurelle, l'augmentation de la vitesse s'accompagne d'une augmentation proportionnelle du courant et de la tension d'arc. Ces trois paramètres sont interdépendants. Par ailleurs, il est essentiel de noter que l'augmentation du courant, de la tension et de la vitesse (c'est-à-dire l'utilisation d'un arc de soudage haute puissance et d'une vitesse élevée) peut engendrer des défauts tels que des caniveaux et des fissures lors de la formation et de la solidification du bain de fusion. L'augmentation de la vitesse de soudage doit donc être limitée.
Influence du type et de la polarité du courant de soudage et de la taille des électrodes sur la formation de la soudure
1. Types et polarités du courant de soudage
Les courants de soudage se divisent en courant continu et courant alternatif. Le soudage à l'arc en courant continu se subdivise en courant continu constant et courant continu pulsé, selon la présence ou non d'impulsions. Il se divise également en soudage à l'arc en courant continu à polarité positive (la pièce à souder est reliée au pôle positif) et en courant continu à polarité inverse (la pièce à souder est reliée au pôle négatif). Le soudage à l'arc en courant alternatif se subdivise en courant alternatif sinusoïdal et courant alternatif carré, selon la forme d'onde du courant. Le type et la polarité du courant de soudage influent sur l'apport de chaleur de l'arc à la pièce à souder, et donc sur la formation de la soudure. Ils affectent également le transfert des gouttelettes et l'élimination de la couche d'oxyde à la surface du métal de base.
Lorsqu'on utilise le soudage TIG pour souder des métaux comme l'acier et le titane, la pénétration de la soudure est maximale en courant continu positif et minimale en courant continu inverse. Le courant alternatif offre une pénétration intermédiaire. Comme la pénétration est maximale en courant continu positif et que l'électrode de tungstène subit une usure minimale, il est recommandé d'utiliser cette méthode pour souder des métaux comme l'acier et le titane. En soudage TIG pulsé, les paramètres d'impulsion permettent de contrôler la taille du cordon de soudure. Pour souder l'aluminium, le magnésium et leurs alliages, il est nécessaire d'exploiter l'effet de nettoyage cathodique de l'arc afin d'éliminer la couche d'oxyde en surface. Le courant alternatif est plus performant, car les paramètres de forme d'onde du courant alternatif carré sont ajustables, ce qui améliore la qualité du soudage.
En soudage MIG/MAG, lorsque le courant continu est inversé, la pénétration et la largeur de la soudure sont supérieures à celles obtenues en courant continu normal. En soudage à courant alternatif, la pénétration et la largeur se situent entre les deux. C'est pourquoi, en soudage à l'arc submergé, l'inversion du courant continu est généralement utilisée pour obtenir une pénétration plus importante ; tandis qu'en soudage de rechargement à l'arc submergé, le courant continu normal est utilisé pour réduire la pénétration. En soudage MIG/MAG sous protection gazeuse, l'inversion du courant continu offre non seulement une grande profondeur de pénétration, mais aussi une meilleure stabilité de l'arc de soudage et du transfert des gouttelettes, comparativement au courant continu normal et au courant alternatif. De plus, elle assure un nettoyage de la cathode, ce qui explique sa large utilisation. Le courant continu normal et le courant alternatif sont généralement évités.
2. Influence de la forme de la pointe de l'électrode de tungstène, du diamètre du fil de soudage et de la longueur d'extension
L'angle et la forme de l'extrémité avant de l'électrode en étain ont une influence majeure sur la concentration et la pression de l'arc. Leur choix doit être effectué en fonction du courant de soudage et de l'épaisseur de la pièce. En général, plus l'arc est concentré et plus la pression est élevée, plus la profondeur de pénétration est importante, tandis que la largeur du cordon diminue.
En soudage MIG/MAG, à courant constant, plus le fil d'apport est fin, plus le chauffage de l'arc est concentré, la profondeur de pénétration augmente et la largeur de la soudure diminue. Cependant, lors du choix du diamètre du fil d'apport pour des projets de soudage concrets, il convient également de tenir compte de l'intensité du courant et de la morphologie du bain de fusion afin d'éviter une mauvaise formation de la soudure.
Lors du soudage MIG/MAG, l'allongement du fil d'apport augmente, ce qui accroît la chaleur générée par le courant de soudage traversant la partie allongée du fil et, par conséquent, la vitesse de fusion. Le renforcement de la soudure s'en trouve donc renforcé, tandis que la profondeur de pénétration diminue légèrement. Du fait de la résistivité relativement élevée des fils d'acier, l'influence de l'allongement du fil d'apport sur la formation de la soudure est particulièrement marquée, notamment avec les fils fins. La résistivité des fils d'aluminium étant relativement faible, son influence est négligeable. Bien qu'un allongement plus important puisse améliorer le coefficient de fusion du fil, il convient, pour une stabilité optimale de la fusion et une bonne formation de la soudure, de définir une plage de variation admissible pour l'allongement du fil d'apport.
Influence d'autres facteurs de procédé sur les facteurs de formation de la soudure
Outre les facteurs de processus mentionnés ci-dessus, d'autres facteurs liés au processus de soudage, tels que la taille de la rainure et de l'écart, l'angle d'inclinaison de l'électrode et de la pièce, ainsi que la position spatiale du joint, peuvent également affecter la formation et la taille de la soudure.
1. Rainure et écartement
Lors du soudage bout à bout à l'arc électrique, on détermine généralement s'il faut ménager un entrefer, et le cas échéant, sa taille et la forme de la rainure, en fonction de l'épaisseur de la tôle à souder. Dans certaines conditions, plus la rainure ou l'entrefer est important, plus le renforcement de la soudure est faible, ce qui équivaut à un affaissement de la soudure. Le taux de fusion diminue alors. Par conséquent, ménager un entrefer ou réaliser une rainure permet de contrôler le renforcement et d'ajuster le taux de fusion. Les conditions de dissipation thermique diffèrent légèrement entre la présence et l'absence d'entrefer et la réalisation d'une rainure. De manière générale, les conditions de cristallisation sont plus favorables avec une rainure.
2. Inclinaison de l'électrode (fil de soudage)
Lors du soudage à l'arc, selon l'angle d'inclinaison de l'électrode par rapport au sens de soudage, on distingue deux types d'inclinaison : électrode inclinée vers l'avant et électrode inclinée vers l'arrière. Lorsque le fil d'apport est incliné, l'axe de l'arc l'est également. En cas d'inclinaison vers l'avant, l'effet de la force de l'arc sur l'évacuation du métal en fusion vers l'arrière est atténué. La couche de métal liquide au fond du bain de fusion s'épaissit, la profondeur de pénétration diminue, la profondeur à laquelle l'arc pénètre dans la pièce à souder est réduite, la zone de déplacement du point d'impact de l'arc est étendue, la largeur de la soudure augmente et le renforcement est diminué. Plus l'angle d'inclinaison α du fil d'apport est faible, plus cet effet est marqué. En cas d'inclinaison vers l'arrière, la situation est inverse. En soudage à l'arc sous protection gazeuse, on utilise généralement l'inclinaison vers l'arrière, avec un angle α compris entre 65° et 80°.
3. Inclinaison de la pièce à souder
L'inclinaison des pièces à souder est fréquente en production et se divise en soudage en pente ascendante et soudage en pente descendante. Sous l'effet de la gravité, le métal en fusion a tendance à s'écouler vers le bas, suivant la pente. En soudage en pente ascendante, la gravité favorise l'évacuation du métal en fusion vers l'extrémité du bain, ce qui permet une pénétration profonde, une faible largeur de soudure et un renforcement important. Lorsque l'angle d'inclinaison ascendante α est compris entre 6° et 12°, le renforcement est excessif et des caniveaux se forment facilement de part et d'autre. En soudage en pente descendante, cet effet empêche l'évacuation du métal en fusion vers l'extrémité du bain. L'arc ne peut alors pas chauffer suffisamment le métal au fond du bain, la pénétration est réduite, la zone de déplacement du point d'amorçage est étendue, la largeur de la soudure augmente et le renforcement est diminué. Si l'angle d'inclinaison de la pièce à souder est trop important, la pénétration sera insuffisante et il en résultera un débordement de métal en fusion.
4. Matériau et épaisseur de soudage
La pénétration de la soudure dépend du courant de soudage, ainsi que de la conductivité thermique et de la capacité thermique volumique du matériau. Plus la conductivité thermique et la capacité thermique volumique du matériau sont élevées, plus il faut de chaleur pour faire fondre un volume unitaire de métal et élever sa température d'une valeur équivalente. Par conséquent, à courant de soudage donné, la profondeur de pénétration et la largeur de la soudure diminuent. Plus la densité ou la viscosité du matériau est élevée, plus l'arc a de difficulté à déplacer le métal en fusion, et plus la pénétration est faible. L'épaisseur de la pièce soudée influe sur la conduction thermique à l'intérieur de celle-ci. Toutes choses égales par ailleurs, plus l'épaisseur de la pièce soudée augmente, plus la dissipation thermique s'accroît, et plus la largeur et la profondeur de pénétration de la soudure diminuent.
5. Flux, revêtement d'électrode et gaz de protection
Les différentes compositions des flux ou des revêtements d'électrodes entraînent des chutes de tension différentes au niveau des électrodes de l'arc et des gradients de potentiel différents dans la colonne d'arc, ce qui influence inévitablement la formation de la soudure. Lorsque le flux présente une faible densité, une granulométrie importante ou une faible épaisseur, la pression autour de l'arc est faible, la colonne d'arc se dilate et le point d'impact de l'arc présente une grande amplitude de mouvement. Par conséquent, la pénétration est faible, la largeur de la soudure est importante et le renforcement est faible. Lors du soudage à l'arc haute puissance de pièces épaisses, l'utilisation d'un flux de type pierre ponce permet de réduire la pression de l'arc, de diminuer la pénétration et d'augmenter la largeur de la soudure. De plus, le laitier de soudage doit présenter une viscosité et une température de fusion appropriées. Si la viscosité est trop élevée ou si la température de fusion est relativement élevée, le laitier sera mal ventilé et il est facile de former de nombreuses dépressions à la surface de la soudure, ce qui nuit à la qualité de cette dernière.
La composition des gaz de protection utilisés en soudage à l'arc (tels que Ar, He, N2, CO2) et leurs propriétés physiques, notamment leur conductivité thermique, varient. Ces différences induisent des variations de la chute de tension dans la zone polaire de l'arc, du gradient de potentiel de la colonne d'arc, de la section conductrice de cette dernière, de la force d'écoulement du plasma et de la distribution du flux de chaleur spécifique. L'ensemble de ces facteurs influe sur la formation des cordons de soudure.
En résumé, de nombreux facteurs influencent la qualité d'une soudure. Pour obtenir une soudure de qualité, il est nécessaire de choisir les méthodes et les conditions de soudage appropriées en fonction du matériau et de l'épaisseur de la pièce à souder, de la position spatiale de la soudure, de la configuration du joint, des conditions de travail, des exigences de performance du joint et des dimensions de la soudure. Par ailleurs, l'attitude du soudeur est primordiale ! Dans le cas contraire, la qualité et les performances de la soudure risquent de ne pas être conformes aux exigences, et divers défauts peuvent même apparaître.
