Pour tout savoir sur l’acier et ses utilisations

En quoi consiste le soudage ? Définition

Le soudage est indissociable de l’acier

Il consiste à exécuter un cordon fondu liant les bords de deux pièces

Le soudage est une opération de micro-métallurgie consistant à exécuter un cordon fondu liant les bords de deux pièces ; il est dit homogène quand ces deux pièces, ainsi que le métal d’apport du joint, ont une composition chimique identique ou voisine, et hétérogène dans les autres cas.
Il constitue un moyen privilégié d’assemblage pour toute construction faisant intervenir des matériaux métalliques. Il s’applique aussi, dans une moindre mesure et depuis plus récemment, aux matériaux thermoplastiques.
Le soudage nécessite un apport de chaleur. Toutes les sources d’énergie peuvent être utilisées : chimique (flammes), lumineuse (laser), électrique ou mécanique.

Les domaines d’application du soudage

Le soudage s’applique à tous les matériaux métalliques et peut être utilisé pour les plastiques. Ses principaux domaines d’application dans le domaine de l’acier : la mécanique au sens large et la construction, pour lesquels il constitue de loin le moyen d’assemblage n°1.
En construction métallique, lors de la préfabrication des éléments en atelier, on assemble systématiquement par soudage. Sur les chantiers, on a plutôt recours au boulonnage des éléments préfabriqués (comme pour réaliser un Meccano).
Dans les ponts métalliques, en France, on utilise le soudage dans 100 % des cas.

Les autres modes d’assemblage de l’acier

Soudage SAW (sous flux en poudre)

L’arc électrique jaillit sous le flux en poudre. Quand le flux fond, le cordon de soudure apparaît

• Les assemblages mécaniques (boulonnage, vissage, rivetage, sertissage, clinchage…). D’applications locales, ils n’assurent pas une continuité idéale du métal, de plus ces techniques ne permettent pas d’assembler toutes les gammes d’épaisseur des métaux, allant de quelques microns à quelques centaines de millimètres pour l’acier.
  Par exemple, le sertissage convient pour des sollicitations relativement peu élevées et des faibles épaisseurs (il est utilisé dans l’emballage, par exemple).

• Les assemblages par collage
  Ils conviennent seulement aux produits minces, faiblement sollicités, et ont une durabilité réduite.

Avantages du soudage, par rapport aux autres techniques d’assemblage

• Il assure une continuité métallique de la pièce, lui conférant ainsi des caractéristiques au niveau de l’assemblage équivalentes à celles du métal assemblé (mécaniques, thermiques, chimiques, électriques, d’étanchéité, de durabilité …).

• Il répond à des sollicitations élevées

• Il est durable (insensible aux variations de température, aux conditions climatiques …).

• Il garantit l’étanchéité de la pièce soudée..

Histoire du soudage en quelques étapes clés

Qualité et productivité

Dans la deuxième moitié du 20ème siècle, le développement de la robotisation et de l’automatisation a permis au soudage de gagner en qualité et en productivité. Ici, la tête de soudage, fixée au bout d’une potence, est statique. C’est la virole qui, grâce à un équipement électronique, tourne en dessous

Généralisation

Dès le début du 20ème siècle, le soudage s’est généralisé dans l’industrie : construction navale, aéronautique, automobiles...

• L’origine du soudage remonte à l’âge des métaux :
  - à l’âge de bronze on soudait à la poche
  - à l’âge de fer on soudait à la forge.

• Jusqu’au milieu du 19ème siècle, les procédés de soudage évoluent peu. Vers 1850 on commence à se servir du gaz pour chauffer les métaux à souder.

• Fin 19ème : mise en œuvre de nouveaux procédés :
  - Le soudage oxyacétylénique
  - Le soudage aluminothermique
  - Le soudage à l’arc électrique
  - Le soudage par résistance
  Ces procédés connaîtront leur essor industriel vers 1920.

• Début du 20ème siècle : le soudage se répand dans tous les secteurs industriels.
  Conséquence : une modification importante dans la conception et la réalisation des objets. Exemple : l’utilisation pour les ponts de PRS (Poutres reconstituées soudées) de grandes dimensions et fortes épaisseurs. Le soudage devient indissociable du développement de nombreux secteurs économiques.

• Dans les années trente, le champ d’application du soudage s’élargit : construction navale, automobile, aéronautique. Un nouveau métier est apparu : celui de soudeur. Il devient nécessaire de former les ouvriers et d’organiser des cours. Le CAP de soudeur est créé en 1931.

• Pendant des années, le soudage ne cesse d’évoluer sur le plan technologique.
  - industrialisation de principes physiques : faisceau d’électrons, soudage au laser et aux ultra-sons
  - découvertes involontaires : le soudage par explosion et par diffusion
  - introduction croissante de la micro-électronique dans les équipements de soudage et développement de la robotisation, d’où une amélioration de la qualité et de la productivité.

• Depuis ces dix dernières années, les innovations portent moins sur les procédés mêmes, que sur le matériel de soudage et les matériaux d’apport. Ainsi que sur les méthodes et conditions de travail, qui continuent de s’améliorer, notamment en matière d’hygiène et de sécurité.
  A l’heure actuelle, les procédés industriels de soudage peuvent atteindre une puissance de 100kW/cm2.

  Pour en savoir plus sur l’histoire du soudage (en anglais)
  www.weldinghistory.org

L’acier, champion du soudage

L’acier est le métal le plus facile à souder – car on peut utiliser avec lui toute la gamme des procédés de soudage. Dans l’ère industrielle, c’est l’acier qui a le plus bénéficié du soudage. L’aluminium et le titane ont commencé à se souder plus tard et conviennent moins bien à ce procédé.
L’aluminium, par exemple, est moins facilement soudable, car il faut enlever la couche d’alumine réfractaire qui se forme naturellement à sa surface et prendre les précautions nécessaires pour éviter sa reformation durant le soudage.
Même chose pour le titane, qui est très fortement oxydable. Certains alliages sont d’ailleurs intrinsèquement non soudables.

Aptitude au soudage / soudabilité des matériaux

Soudable ou pas soudable : c’est une affaire de caractéristiques métallurgiques locales, mais aussi une question de procédés plus ou moins adaptés.
Le résultat du soudage dépend à la fois des caractéristiques de l’acier (composition chimique, état de livraison, épaisseur), du type de métal d’apport choisi et des réglages adoptés pour le procédé. On parle de « réponse au soudage » d’un matériau.
Exemple : si un acier « Carbone/Manganèse » de construction a une forte teneur en carbone, il est nécessaire de le préchauffer pour éviter sa fissuration, voire de mettre en œuvre des énergies de soudage plus élevées, ce qui peut nuire aux caractéristiques de résilience de l’acier, si l’on dépasse une certaine énergie.

La recommandation R581 / 1967 de l’ISO définit ainsi la soudabilité :
« On considère qu’un matériau métallique est soudable à un degré donné, par un procédé et pour un type d’application donnés, lorsqu’il se prête, moyennant les précautions correspondant à ce degré, à la réalisation d’une construction entre les éléments de laquelle il est possible d’assurer la continuité métallique par la constitution de joints soudés qui, par leurs caractéristiques locales et les conséquences globales de leur présence, satisfont aux propriétés requises et choisies comme base de jugement ».
Ces critères de jugement seront différents selon les applications envisagées.

Divers degrés de soudabilité selon les aciers

Soudage de l’inox

Le soudage de l’inox nécessite des précautions particulières. Il faut protéger la zone de soudage de l’oxygène ambiant. Pour cela on pratique un soudage sous protection de gaz inerte. Soit avec fil électrode fusible (procédé MIG), soit avec électrode de tungstène (procédé TIG)

Jusqu’il y a 20 à 30 ans, les sidérurgistes mettaient au point les aciers et les soudeurs les soudaient. Chacun travaillait dans son coin. Mais depuis une vingtaine d’années, à l’initiative du Japon, les choses ont évolué. Les aciéristes se préoccupent, dès la phase d’élaboration de l’acier, de la dimension soudage, autrement dit de la soudabilité des aciers. Ceci dans un souci d’optimisation de la mise en œuvre ultérieure des aciers.
Toutes les nuances n’ont pas la même aptitude au soudage et affichent des degrés de soudabilité variables.

• La soudabilité d’un acier au carbone dépendra de sa composition chimique, notamment de son carbone équivalent*.

• Quand on soude de l’inox, il faut protéger la zone en cours de soudage de l’oxygène ambiant. On soude sous argon (exemple : procédé TIG*), pour éviter la formation d’oxydes de chrome, qui entraînera localement une baisse de la concentration en chrome et diminuera localement sa résistance à la corrosion.

• On peut souder directement des aciers revêtus, mais le résultat n’est pas optimal. La qualité du joint obtenu n’est jamais excellente, mais peut être suffisante, pour une application donnée.
  Les propriétés du métal peuvent être altérées par l’opération de soudage. On peut également privilégier certains types de revêtement « plus soudables », ou prendre des précautions particulières pour minimiser l’impact négatif du revêtement sur le résultat de l’opération de soudage. Exemple : dans l’automobile, on soude par points sur de l’acier galvanisé, ce qui nécessite le choix de paramètres adaptés.