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Soudage à l'arc

Introduction

Le soudage à l'arc consiste à fusionner deux pièces de métal à l'aide d'un arc électrique créé entre les pièces à assembler – les pièces à souder – et une électrode que l'on déplace le long du joint entre les pièces. L'électrode peut prendre la forme d'une baguette qui transporte un courant électrique entre la pointe et la pièce ou encore d'une tige ou d'un fil métallique qui fond puis se solidifie en fournissant le métal d'apport au joint.

Le circuit de base du soudage à l'arc consiste en une source d'alimentation en courant alternatif (c. a.) ou continu (c. c.) reliant un câble de masse à la pièce à assembler et un câble dans lequel passe le courant vers l'électrode. Lorsqu'on approche l'électrode de la pièce à souder, il y a formation d'un arc dans l'espace qui sépare le métal et l'électrode. Une projection gazeuse ionisée se forme alors et complète le circuit.

Circuit de base du soudage à l'arc électrique

circuit de base du soudage

L'arc électrique génère une température d'environ 3 600 °C à la pointe et fait fondre la partie du métal à souder et une partie de l'électrode. Cette opération produit un bain de métal en fusion qui refroidit et se solidifie à mesure que l'on déplace l'électrode le long du joint.

Il existe deux types d'électrodes. Dans le cas d'une électrode fusible, la pointe fond et des gouttelettes de métal fondu se détachent, puis se mélangent au bain de métal en fusion. À l'opposé, une électrode réfractaire ne fond pas. On fait plutôt fondre un métal d'apport provenant d'une baguette ou d'un fil distincts.

La résistance d'une soudure est réduite lorsque les métaux atteignant des températures élevées réagissent avec l'oxygène et l'azote présents dans l'air pour former des oxydes et des nitrures. La plupart des procédés de soudage à l'arc minimisent le contact entre le métal fondu et l'air au moyen d'une projection gazeuse, de vapeur ou d'un laitier. À titre d'exemple, un flux granulé ajoute des désoxydants qui recouvrent d'une couche protectrice le bain de métal en fusion, améliorant ainsi le soudage.

Progrès technologiques en matière de conception et de rendement énergétique des sources d'alimentation pour le soudage

L'appareil consommateur d'électricité - l'élément principal du poste de soudage à l'arc – correspond à la source d'alimentation. La consommation électrique des appareils de soudage à l'arc (on en compte approximativement entre 110 000 et 130 000 en utilisation au Canada) est estimée à 100 GWh par année.

Par le passé, les sources d'alimentation fonctionnaient à l'aide d'équipements transformateurs-redresseurs dotés de gros transformateurs abaisseurs qui les rendaient lourds et prompts à la surchauffe. Ils avaient une fonction unique, c'est-à-dire qu'ils ne servaient qu'à un type de soudage. Dans les années 1990, les progrès réalisés en matière de commutation de courant à semi-conducteurs ont conduit au développement de sources d'énergie à onduleur multifonction, plus légères, plus souples et qui produisent un arc électrique de qualité supérieure.

Les sources d'alimentation pour le soudage consomment de l'électricité au moment du soudage et en marche au ralenti. L'équipement transformateur-redresseur utilisé par le passé présentait un rendement énergétique qui oscillait entre 40 et 60 p. 100 et exigeait de 2 à 5 kW en marche au ralenti. Les sources d'alimentation modernes à onduleur présentent un rendement énergétique voisin de 90 p. 100, avec une puissance en marche au ralenti de l'ordre de 0,1 kW.

Les sources d'alimentation modernes à onduleur remplacent graduellement les unités à transformateur-redresseur. Elles offrent un bon rendement du capital investi et, comparativement aux unités à transformateur-redresseur, elles sont moins lourdes, donc portables, et plus faciles à utiliser; elles sont multifonction plutôt que monofonctionnelles, forment des arcs et donc des soudures de qualité supérieure, et favorisent l'amorçage et la stabilité de l'arc.

Les cinq procédés de soudage à l'arc les plus couramment utilisés

Procédé Nom Électrodes Protection Niveau de compétences exigé de l'opérateur Popularité
Soudage à l'arc avec électrode enrobée SMAW ou à la baguette Âme métallique rigide Enrobages Faible En régression
Soudage à l'arc avec fil plein GMAW ou MIG Fil plein CO2 gazeux Faible Croissante
Soudage à l'arc avec fil fourré FCAW ou MIG Fil fourré de flux (creux) Flux Faible Croissante
Soudage à l'arc sous gaz avec électrode de tungstène GTAW ou TIG Tungstène Gaz argon Élevé Stable
Soudage à l'arc submergé SAW Fil plein Gaz argon Élevé Stable

Le procédé GTAW sert principalement au soudage de métaux minces et exotiques, alors que le procédé SAW convient au soudage des plaques d'acier épaisses.

Les sources d'alimentation produisent du courant continu, l'électrode étant positive ou négative, ou du courant alternatif. Le choix du courant et de la polarité dépend du procédé utilisé, du type d'électrode, de l'atmosphère de l'arc et du métal à souder.

Efficacité énergétique de la source d'alimentation

  • Les sources de courant modernes à onduleur présentent un rendement énergétique élevé et peuvent être jusqu'à 50 p. 100 plus éconergétiques que les transformateurs-redresseurs.
  • Les besoins d'énergie en marche au ralenti des sources de courant modernes à onduleur représentent un vingtième de ceux des transformateurs-redresseurs.
  • Les sources de courant modernes à onduleur affichent des facteurs de puissance voisins de 100 p. 100; les pourcentages des transformateurs-redresseurs sont bien moins élevés, ce qui réduit la consommation d'électricité.
  • Les postes de soudage modernes à onduleur sont quatre fois plus légers et bien plus compacts que les transformateurs-redresseurs. Par conséquent, ils sont portables et peuvent être déplacés par une seule personne plutôt que quatre, ce qui rend possible le transport du matériel de soudage vers le travail à effectuer plutôt que l'inverse.
  • Les postes de soudage modernes à onduleur sont multifonction et peuvent donc servir aux procédés GMAW, FCAW, SMAW et GTAW.

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